Описание индексного дескриптора в POSIX

Оглавление

 

Введение

Файловая система ОС UNIX

Подробности

Описание индексного дескриптора в POSIX

Этимология inode

Значение

Практическое применение

Заключение

Список литературы

Введение

 

В информатике inode (произносится а́йнод или ино́д) или индексным дескриптором называют метаданные файлов, отражающих структуру данных и другую необходимую для их работы информацию, в традиционных файловых системах (ФС) UNIX, таких как UFS.

Наиболее распространенный метод выделения файла, блоков диска - это связать с каждым файлом небольшую таблицу, называемую индексом дескриптора или индексным узлом, который перечисляет атрибуты и индексные адреса блоков файла. Запись директории, относящейся к файлу содержит адрес индексного дескриптора.

Файловая система ОС UNIX

 

Начнем с самого понятия файла и файловой системы.

Под файлом понимается набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются системы управления файлами. Возможность иметь дело с логическим уровнем структурных данных и операциями по их обработке предоставляет файловая система (ФС).

Фа ́ йловая систе ́ ма (англ. <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> file system) - порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8> в компьютерах, а также в другом электронном <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0> оборудовании: цифровых фотоаппаратах <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82>, мобильных телефонах <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%84%D0%BE%D0%BD> и т.п. Файловая система определяет формат <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82_%D1%84%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D0%B0> содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB>. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов и (каталогов), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB> файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные

В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs).

Файл в системе UNIX представляет собой множество символов с произвольным доступом. Файл имеет такую структуру, которую налагает на него пользователь. Файловая система Unix, это иерархическая, многопользовательская файловая система.

Физически UFS состоит из следующих частей:

·         несколько блоков в начале раздела отводится под загрузочную область <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D1%80%D1%83%D0%B7%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80> (которая должна инициализироваться отдельно от файловой системы)

дескриптор операционная система индексный

·         суперблок, включающий магическое число <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE_(%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5)>, инициализирующее файловую систему, и некоторые другие важные числа, описывающие геометрию и настройку некоторых параметров файловой системы

·         описание групп цилиндров. Каждая группа включает следующие компоненты:

·         Резервную копию суперблока

·         Заголовок группы цилиндров, статистические данные и т.д., информацию аналогичную содержащейся в суперблоке, но для конкретной группы

·         Некоторое количество индексных дескрипторов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B5%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%B8%D0%BF%D1%82%D0%BE%D1%80>, каждый из которых содержит атрибуты файлов

·         Некоторое количество блоков данных <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%91%D0%BB%D0%BE%D0%BA_(%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%89%D0%B0_%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85)&action=edit&redlink=1>

Индексные дескрипторы нумеруются последовательно. Несколько первых индексных дескрипторов сохранены по историческим причинам, далее следуют индексные дескрипторы корневого каталога <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B3>. Каталог файлов содержит только список файлов в директории и индексный дескриптор, связанный с каждым файлом. Все метаданные <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5> файла хранятся в индексном дескрипторе.

 

Подробности

 

При создании файловой системы создаются также и структуры данных, содержащие информацию о файлах. Каждый файл имеет свой индексный дескриптор, идентифицируемый по уникальному номеру (часто называемому 'i-номером' или 'инодом'), в файловой системе, в которой располагается сам файл.

Индексные дескрипторы хранят информацию о файлах, такую как принадлежность владельцу (пользователю и группе), режим доступа (чтение, запись, запуск на выполнение) и тип файла. Существует определенное число индексных дескрипторов, которое указывает максимальное количество файлов, допускаемое определенной файловой системой. Обычно, при создании файловой системы примерно 1 % её выделяется под индексные дескрипторы.

Термин индексный дескриптор обычно указывает на иноды блочных устройств, управляющие постоянными файлами, каталогами и, по возможности, символьными ссылками. Подобная концепция играет важную роль при восстановлении поврежденных файловых систем.

·         Номер индексного дескриптора заносится в таблицу индексных дескрипторов в определенном месте устройства; по номеру индексного

·         дескриптора ядро системы может считать содержимое инода, включая указатели данных и прочий контекст файла.

·         Номер индексного дескриптора файла можно посмотреть используя команду ls - i, а команда ls - l покажет информацию, хранящуюся в индексном дескрипторе.

·         Файловые системы, не относящиеся к традиционным ФС UNIX, такие как ReiserFS, могут обходиться без таблицы индексных дескрипторов, но должны хранить аналогичную информацию схожим способом, обеспечивающим эквивалентную функциональность. Такие данные могут называться статистической информацией, по аналогии со stat - системным вызовом, поставляющим информацию программам.

Имена файлов и содержимое каталогов:

·         индексные дескрипторы не хранят имена файлов, только информацию об их содержимом;

·         каталоги в Unix являются списками 'ссылочных' структур, каждая из которых содержит одно имя файла и один номер индексного дескриптора;

·         ядро должно просматривать каталог в поисках имени файла, затем конвертировать это имя в соответствующий номер индексного дескриптора, в случае успеха;

·         содержимое файлов располагается в блоках данных, на которые ссылаются индексные дескрипторы.

Представление ядром этих данных в памяти называется struct inode (структурным инодом) (в ОС Linux). В BSD системах используется термин vnode, буква v в котором указывает на виртуальную файловую систему уровня ядра.

Строение индексного дескриптора файла приведено в табл.1

 

Таблица 1. Структура индексного дескриптора

Название поля	Тип	Описание
i_mode	USHORT	Тип и права доступа к данному файлу
i_uid	USHORT	Идентификатор владельца файла (Owner Uid)
i_size	ULONG	Размер файла в байтах
i_atime	ULONG	Время последнего обращения к файлу (Access time)
i_ctime	ULONG	Время создания файла
i_mtime	ULONG	Время последней модификации файла
i_dtime	ULONG	Время удаления файла
i_gid	USHORT	Идентификатор группы (GID)
i_links_count	USHORT	Счетчик числа связей (Links count)
i_blocks	ULONG	Число блоков, занимаемых файлом
i_flags	ULONG	Флаги файла (File flags)
i_reserved1	ULONG	Зарезервировано для ОС
i_block	ULONG [15]	Указатели на блоки, в которых записаны данные файла (это поле подробно описано в разд.16.4)
i_version	ULONG	Версия файла (для NFS)
i_file_acl	ULONG	ACL файла
i_dir_acl	ULONG	ACL каталога
i_faddr	ULONG	Адрес фрагмента (Fragment address)
i_frag	UCHAR	Номер фрагмента (Fragment number)
i_fsize	UCHAR	Размер фрагмента (Fragment size)
i_pad1	USHORT	Заполнение
i_reserved2	ULONG [2]	Зарезервировано

 

Поле типа и прав доступа к файлу представляет собой двухбайтовое слово, каждый бит которого служит флагом, индицирующим отношение файла к определенному типу или установку одного конкретного права на файл.

Таблица 2. Структура поля, задающего тип и права доступа

Идентификатор	Значение	Назначение флага (поля)
S_IFMT	F000	Маска для типа файла
S_IFSOCK	A000	Доменное гнездо (socket)
S_IFLNK	C000	Символическая ссылка
S_IFREG	8000	Обычный (regular) файл
S_IFBLK	6000	Блок-ориентированное устройство
S_IFDIR	4000	Каталог
S_IFCHR	2000	Байт-ориентированное (символьное) устройство
S_IFIFO	1000	Именованный канал (fifo)
S_ISUID	0800	SUID - бит смены владельца
S_ISGID	0400	SGID - бит смены группы
S_ISVTX	0200	Бит сохранения задачи (sticky bit)
S_IRWXU	01C0	Маска прав владельца файла
S_IRUSR	0100	Право на чтение
S_IWUSR	0080	Право на запись
S_IXUSR	0040	Право на выполнение
S_IRWXG	0038	Маска прав группы
S_IRGRP	0020	Право на чтение
S_IWGRP	0010	Право на запись
S_IXGRP	0008	Право на выполнение
S_IRWXO	0007	Маска прав остальных пользователей
S_IROTH	0004	Право на чтение
S_IWOTH	0002	Право на запись
S_IXOTH	0001	Право на выполнение

 

Среди индексных дескрипторов имеется несколько дескрипторов, которые зарезервированы для специальных целей и играют особую роль в файловой системе (табл.16.6).

 

Таблица 3. Особые индексные дескрипторы

Идентификатор	Значение	Описание
EXT2_BAD_INO	1	Индексный дескриптор, в котором перечислены адреса дефектных блоков на диске (Bad blocks inode)
EXT2_ROOT_INO	2	Индексный дескриптор корневого каталога файловой системы (Root inode)
EXT2_ACL_IDX_INO	3	ACL inode
EXT2_ACL_DATA_INO	4	ACL inode
EXT2_BOOT_LOADER_INO	5	Индексный дескриптор загрузчика (Boot loader inode)
EXT2_UNDEL_DIR_INO	6	Инлексный дескриптор каталога для удаленных файлов (Undelete directory inode)
EXT2_FIRST_INO	11	Первый незарезервированный индексный дескриптор

 

Самый важный дескриптор в этом списке - дескриптор корневого каталога. Этот дескриптор указывает на корневой каталог, который, подобно всем каталогам, представляет собой связанный список, состоящий из записей переменной длины. Каждая запись имеет следующую структуру (табл.16.7):

 

Таблица 4. Структура дескриптора, описывающего корневой каталог

Название поля	Тип	Описание
Inode	ULONG	Номер индексного дескриптора (индекс) файла
Rec_len	USHORT	Длина этой записи
Name_len	USHORT	Длина имени файла
Name	CHAR [0]	Имя файла

 

Использование записей переменной длины позволяет использовать длинные имена файлов без пустой траты дискового пространства. Отдельная запись в каталоге не может пересекать границу блока (т.е. должна быть расположена целиком внутри одного блока). Поэтому, если очередная запись не помещается целиком в данном блоке, она переносится в следующий блок, а предыдущая запись продолжается таким образом, чтобы она заполнила блок до конца.

Для повышения эффективности обработки данных в файловой системе при открытии любого файла его индексный дескриптор считывается в таблицу индексных дескрипторов, которая резидентна в RAM. Резидентный образ индексного дескриптора файла возвращается в индексный файл после завершения работы с данным файлом во всех процессах.

Чтобы динамически поддерживать соответствие резидентных копий индексных дескрипторов с их оригиналами в индексном файле, содержание таблицы индексных дескрипторов файлов периодически копируется в индексный файл следящим процессом (демоном) update, который запускается при переходе OS UNIX в многопользовательский режим. Указанная процедура синхронизации позволяет минимизировать нарушение корректности файловой системы при аппаратных сбоях, когда возможность приведения в соответствие индексного файла и модифицированных резидентных копий индексных дескрипторов будет потеряна. Хотя в OS UNIX предусмотрены административные средства ремонта файловой системы, но исправление существенных нарушений может привести к потере данных.

 

Описание индексного дескриптора в POSIX

 

Стандарты POSIX описывают поведение файловой системы как потомка традиционных файловых систем UNIX - UFS. Постоянные файлы должны иметь следующие атрибуты:

·         длина файла в байтах;

·         идентификатор (ID) устройства (это идентифицирует устройство, содержащее файл);

·         ID пользователя, являющегося владельцем файла;

·         ID группы файла;

·         режим файла, определяющий какие пользователи могут считывать, записывать и запускать файл;

·         Timestamp указывает дату последнего изменения инода (ctime, change time), последней модификации содержимого файла (mtime,modification time), и последнего доступа (atime, access time);

·         счетчик ссылок указывают количество жестких ссылок, указывающих на индексный дескриптор;

·         указатели на блоки диска, хранящие содержимое файла (подробнее.).

Системный вызов stat считывает номер индексного дескриптора файла и некоторую информацию из него.

 

Этимология inode

 

Точная причина использования "и" в узлах (нодах) неизвестна. В ответ на вопрос об этом один из пионеров Unix-систем Деннис Ритчи ответил:

"Честно говоря, я мало об этом знаю. Это был всего лишь термин, который мы начали использовать. 'Индекс', как я полагаю, использовался из-за несколько необычной структуры файловой системы, хранившая информацию о доступе к файлам в плоском (двумерном) массиве на диске, а вся информация об иерархии каталогов хранилась отдельно. Таким образом, и-номер являлся индексом в этом массиве, и-нод - выбранным элементом массива. (Приставка 'и-' использовалась в первой версии руководства; со временем дефис перестали употреблять). "

То есть index node (индексный узел, элемент) → index - node → i - node → inode - постепенное укорочение и слияние словосочетанияindex node. По другой версии, начальная буква i в i-node происходит от слова information (информация).

 

Значение

 

Особенности файловой системы, которые приводят к использованию индексных дескрипторов, обескураживают многих пользователей, не знакомых с этой концепцией:

·         Если несколько имен указывают на один и тот же индексный дескриптор (жесткие ссылки), то все имена считаются эквивалентными. Первое созданное имя никаким особым положением не обладает. Это отличается от поведения похожих символьных ссылок, которые зависят от первоначального имени.

·         Индексный дескриптор может совсем не иметь ссылок. Обычно такой файл должен быть удален с диска (именно поэтому программы типа undelete в Unix не позволяют установить точное имя удалённого файла), а его ресурсы должны освободиться (это нормальный процесс удаления файла), но если какие-либо процессы держат файл открытым, то они могут удерживать доступ к нему, а файл будет окончательно удален только когда будет закрыто последнее обращение к нему. Это относится и к исполняемым копиям, которые удерживаются открытыми процессами, их выполняющими. По этой причине, при обновлении программы рекомендуется удалять старую копию и создавать новый индексный дескриптор для обновленной версии, чтобы никакие экземпляры старой версии не продолжали выполняться.

·         Обычно нет возможности сопоставить открытый файл и его имя, по которому он был открыт. Операционная система преобразует имя файла в номер индексного дескриптора при первом же удобном случае, а затем "забывает" про имя файла. Таким образом, функции библиотек getcwd () и getwd () начинают искать в родительском каталоге файл с индексным дескриптором, совпадающим с файлом"." каталога; затем ищут родительский каталог для текущего, и так далее пока не достигнут "/" каталога. SVR4 и Linux используют дополнительную информацию (поля) в индексных дескрипторах для избежания подобного неудобства.

·         Ранее было возможно применять жесткие ссылки на каталоги. Это делало структуру каталогов ориентированным графом вместо дерева, то есть связного графа с N-1 ребрами и N узлами. Например, каталог имел возможность быть собственным родителем. Современные системы не допускают подобных двусмысленностей, за исключением корневого каталога, который считается собственным родителем.