Общие черты файловых систем POSIX-семейства
Итак, файловые системы обычно размещаются на отдельных дисковых разделах или их объединениях. Соотношение между файловыми системами не вполне однозначно. На одном разделе может быть размещена одна файловая система. Однако последняя, в общем случае, может располагаться более чем на одном разделе. Такие технологии, как LVM (Logical Volumes Managers) или программный RAID, позволяют объединить несколько дисковых разделов в единое логическое устройство, которое целиком занимается одной файловой системой. Впрочем, после такого объединения (конкатенации) прежде самостоятельные разделы видятся системой точно так же, как и обычные разделы или слайсы диска.
Физически все файловые системы в ОС, соответствующих стандарту POSIX, организованы сходным образом. И в основе их лежит разделение на три пространственно разобщенные области - суперблок, область метаданных и блоки данных.
Суперблок - это первый (после загрузочного) блок раздела, занятого данной файловой системой. Он содержит наиболее общую информацию о ней - размер логического блока (который следует отличать от физического дискового блока), их суммарное количество, число блоков данных, количество свободных и занятых блоков. Кроме того, в нем записывается и информация, специфичная для определенных файловых систем.
Содержимое области метаданных составляет таблица inodes - это данные о данных файловой системы. Для каждого файла она содержит: его уникальный идентификатор, по которому он находится системой, число ссылок на него (фигурально говоря, количество имен файла), размер, атрибуты принадлежности, доступа, времени, и еще некоторые, о чем говорилось в .
Адреса блоков данных файла, то есть собственно физического расположения его контента на диске, также описываются в таблице inodes. Ну а сами блоки данных, как легко догадаться, и составляют наполнение одноименной области.
Описанным способом была организована первая файловая система первозданного Unix, получившая позднее название s5fs (то есть файловая система System V).
Как уже говорилось в историческом обзоре (см. ), в самой ее приоде были заложены существенные ограничения, не способствовавшие ни надежности, ни быстродействию, ни эффективности использования дискового пространства. И потому разработчики всех более поздних файловых систем POSIX-совместимых ОС, приняв за основу организацию s5fs, вносили в нее те или иные усовершенствования, направленные на исправление указанных недостатков.
Борьба за повышение быстродействия файловых операций осуществлялась дроблением файловой системы на более или менее независимые части, получившие название групп цилиндров (в ОС BSD-семейства), групп блоков (в файловой системе Linux), вплоть до обособления allocation groups в файловой системе XFS, где они представляют фактически самостоятельные файловые подсистемы. В результате этого появилась возможность размещения логически связанной информации в физически смежных областях диска, что минимизировало перемещение дисковых головок, способствуя тем самым скорости доступа к данным.
Расчленение файловой системы одновременно способствовало и росту их надежности. Так как давало возможность в разных ее частях дублировать критически важную информацию - а именно, суперблок, утрата которого (вследствие, например, физического повреждения дисковой поверхности) ранее влекла за собой невозможность доступа к данным вообще.
Экономия в использовании дискового пространства достигалась прямо противоположным приемом - так называемой внутренней фрагментацией, то есть разделением на части логического блока файловой системы. И теперь маленькие файлы могли занимать уже не блок целиком, а только его часть. Венцом творения в этой области явилась файловая система ReiserFS, в которой даже данные маленьких файлов удается целиком вписать в область ее метаданных.
Еще одна общая особенность всех файловых систем Unix-подобных операционок - это кэширование дисковых операций, как чтения, так и записи. Строго говоря, само по себе кэширование к устройству файловой системы имеет не много отношения, поддерживаясь на уровне ядра, а включаясь (или отключаясь) при монтировании.
Однако оно очень важно с точки зрения восприятия файловых операций пользователем, и потому здесь уместно сказать о нем несколько слов.
С кэшированием при чтении более-менее ясно - это упреждающее считывание групп блоков файловой системы и помещение их в специальный буфер в оперативной памяти. Кэширование же при записи выражено в том, что любые изменения как данных файлов (например, при сохранении текста в текстовом редакторе), так и их метаданных (например, счетчика ссылок или атрибутов), а также записей в каталоге при создании или удалении новых файлов, не переносятся на диск немедленно, а также помещаются в буфер оперативной памяти. Операции же записи изменений на диск производятся через некоторое время.
Существует два режима кэширования файловых операций: частично синхронный и чисто асинхронный. При первом изменения в метаданных записываются на диск немедленно, а отложенная запись применяется только в отношении измененных данных. При чисто асинхронном режиме кэшируются как данные, так и метаданные.
Как уже было отмечено, режим кэширования определяется при монтировании файловых систем (как - об этом пойдет речь в ). И в принципе любая из файловых систем Linux или BSD может быть смонтирована как в том, так и в другом режиме. Однако файловые системы BSD традиционно используются в частично синхронном режиме, а все файловые системы, поддерживаемые в Linux - в асинхронном.
Кэширование дает просто потрясающий эффект с точки зрения быстродействия файловых операций, особенно выраженный при асинхронном режиме. Расплатой за что становится возможное нарушение целостности файловых систем при сбоях - аппаратных, или просто при некорректном завершении работы. Ведь в этом случае буферизованные изменения данных и что хуже, метаданных, теряются.
В BSD-системах в качестве метода борьбы с этими явлениями была разработка матода SoftUpdates (о котором будет сказано чуть ниже). В Linux'е же основным направлением в повышении надежности файловых операций явилось развитие так называемых журналируемых файловых систем.Журнал -- это часть файловой системы, отведенная под протоколирование выполненных и предстоящих файловых операций, а также под сохранение данных о текущем (на некие моменты времени) ее состоянии. Что, в случае аварийного завершения работы, нарушившего целостность данных и (в первую очередь) метаданных, дает возможность откатиться назад, в последнее "нормальное" состояние.
