Виртуальные файловые системы в Linux: зачем они нужны и как они работают? Часть 1

Всем привет! Мы продолжаем запуски новых потоков по уже полюбившимся вам курсам и сейчас спешим сообщить о том, что у нас стартует новый набор по курсу «Администратор Linux», который запустится в конце апреля. К этому событию и будет приурочена новая публикация. С оригиналом материала можно ознакомиться тут.

Виртуальные файловые системы выполняют роль некой волшебной абстракции, которая позволяет философии Linux говорить, что «всё является файлом».



Что такое файловая система? Опираясь на слова одного из первых контрибьюторов и авторов Linux Робера Лава, «Файловая система – это иерархическое хранилище данных, собранное в соответствии с определенной структурой». Как бы то ни было, это определение в равной мере хорошо подходит для VFAT (Virtual File Allocation Table), Git и Cassandra (база данных NoSQL). Так что именно определяет такое понятие, как «файловая система»?

Основы файловой системы

Ядро Linux имеет определенные требования к сущности, которая может считаться файловой системой. Она должна реализовывать методы open(), read() и write() для постоянных объектов, которые имеют имена. С точки зрения объектно-ориентированного программирования, ядро определяет обобщенную файловую систему (generic filesystem) в качестве абстрактного интерфейса, а эти три большие функции считаются «виртуальными» и не имеют конкретного определения. Соответственно, реализация файловой системы по умолчанию называется виртуальной файловой системой (VFS).



Если мы можем открывать, читать и записывать в сущность, то эта сущность считается файлом, как мы видим из примера в консоли сверху.
Феномен VFS лишь подчеркивает наблюдение, характерное для Unix-подобных систем, которое гласит, что «всё является файлом». Подумайте, насколько странно, что тот маленький пример сверху с /dev/console показывает, как на самом деле работает консоль. На картинке изображена интерактивная Bash сессия. Отправка строки в консоль (virtual console device) отображает ее на виртуальном экране. VFS имеет другие, еще более странные свойства. Например, она дает возможность осуществлять поиск по ним.

Знакомые нам системы, такие как ext4, NFS и /proc имеют три важные функции в структуре данных С, которая называется file_operations. Кроме того, определенные файловые системы расширяют и переопределяют функции VFS привычным объектно-ориентированным способом. Как отмечает Роберт Лав, абстракция VFS позволяет пользователям Linux беспечно копировать файлы в или из сторонних операционных систем или абстрактных сущностей, таких как pipes, не беспокоясь об их внутреннем формате данных. Со стороны пользователя (userspace) с помощью системного вызова процесс может копировать из файла в структуры данных ядра с помощью метода read() одной файловой системы, а затем использовать метод write() другой файловой системы для вывода данных.

Определения функций, которые принадлежат к базовым типам VFS, находятся в файлах fs/*.c исходного кода ядра, в то время как подкаталоги fs/ содержат определенные файловые системы. В ядре также содержатся сущности, такие как cgroups, /dev и tmpfs, которые требуются в процессе загрузки и поэтому определяются в подкаталоге ядра init/. Заметьте, что cgroups, /dev и tmpfs не вызывают «большую тройку» функций file_operations, а напрямую читают и пишут в память.
На приведенной ниже диаграмме показано, как userspace обращается к различным типам файловых систем, обычно монтируемых в системах Linux. Не показаны такие конструкции как pipes, dmesg и POSIX clocks, которые также реализуют структуру file_operations, доступ к которым проходит через слой VFS.



VFS — это «слой оболочки» между системными вызовами и реализациями определенных file_operations, таких как ext4 и procfs. Функции file_operations могут взаимодействовать либо с драйверами устройств, либо с устройствами доступа к памяти. tmpfs, devtmpfs и cgroups не используют file_operations, а напрямую обращаются к памяти.
Существование VFS обеспечивает возможность переиспользовать код, так как основные методы, связанные с файловыми системами, не должны быть повторно реализованы каждым типом файловой системы. Переиспользование кода – широкоприменяемая практика программных инженеров! Однако, если повторно используемый код содержит серьезные ошибки, от них страдают все реализации, которые наследуют общие методы.

/tmp: Простая подсказка

Простой способ обнаружить, что VFS присутствуют в системе – это ввести mount | grep -v sd | grep -v :/, что покажет все смонтированные (mounted) файловые системы, которые не являются резидентами на диске и не NFS, что справедливо на большинстве компьютеров. Одним из перечисленных маунтов (mounts) VFS, несомненно, будет /tmp, верно?



Все знают, что хранение /tmp на физическом носителе – безумие! Источник.

Почему нежелательно хранить /tmp на физическом носителе? Потому что файлы в /tmp являются временными, а устройства хранения медленнее, чем память, где создается tmpfs. Более того, физические носители более подвержены износу при перезаписи, чем память. Наконец, файлы в /tmp могут содержать конфиденциальную информацию, поэтому их исчезновение при каждой перезагрузке является неотъемлемой функцией.

К сожалению, некоторые скрипты инсталляции Linux дистрибутивов создают /tmp на устройстве хранения по умолчанию. Не отчаивайтесь, если это произошло и с вашей системой. Выполните несколько простых инструкций с Arch Wiki, чтобы это исправить, и помните о том, что память выделенная для tmpfs , становится недоступной для других целей. Другими словами, система с гигантской tmpfs и большими файлами в ней может израсходовать всю память и упасть. Другая подсказка: во время редактирования файла /etc/fstab, помните о том, что он должен заканчиваться новой строкой, иначе ваша система не загрузится.

/proc и /sys

Помимо /tmp, VFS (виртуальные файловые системы), которые наиболее знакомы пользователям Linux – это /proc и /sys. (/dev располагается в общей памяти и не имеет file_operations). Почему именно эти два компонента? Давайте разберемся в этом вопросе.

procfs создает снимок мгновенного состояния ядра и процессов, которые он контролирует для userspace. В /proc ядро выводит информацию о том, какими средствами оно располагает, например, прерывания, виртуальная память и планировщик. Кроме того, /proc/sys – это место, где параметры, настраиваемые с помощью команды sysctl, доступны для userspace. Статус и статистика отдельных процессов выводится в каталогах /proc/.



Здесь /proc/meminfo — это пустой файл, который тем не менее содержит ценную информацию.

Поведение /proc файлов показывает, какими непохожими могут быть дисковые файловые системы VFS. С одной стороны, /proc/meminfo содержат информацию, которую можно посмотреть командой free. С другой же, там пусто! Как так получается? Ситуация напоминает знаменитую статью под названием «Существует ли луна, когда на нее никто не смотрит? Реальность и квантовая теория», написанную профессором физики Корнельского университета Дэвидом Мермином в 1985 году. Дело в том, что ядро собирает статистику памяти, когда происходит запрос к /proc, и на самом деле в файлах /proc ничего нет, когда никто туда не смотрит. Как сказал Мермин, «Фундаментальная квантовая доктрина гласит, что измерение, как правило, не выявляет ранее существовавшего значения измеряемого свойства.» (А над вопросом про луну подумайте в качестве домашнего задания!)
Кажущаяся пустота procfs имеет смысл, поскольку располагающаяся там информация динамична. Немного другая ситуация с sysfs. Давайте сравним, сколько файлов размером не менее одного байта есть в /proc и в /sys.



Procfs имеет один файл, а именно экспортированную конфигурацию ядра, которая является исключением, поскольку ее нужно генерировать только один раз за загрузку. С другой стороны, в /sys лежит множество более объемных файлов, многие из которых занимают целую страницу памяти. Обычно файлы sysfs содержат ровно одно число или строку, в отличие от таблиц информации, получаемой при чтении таких файлов, как /proc/meminfo.

Цель sysfs – предоставить свойства доступные для чтения и записи того, что ядро называет «kobjects» в userspace. Единственная цель kobjects – это подсчет ссылок: когда удаляется последняя ссылка на kobject, система восстановит ресурсы, связанные с ним. Тем не менее, /sys составляет большую часть знаменитого «stable ABI для userspace» ядра, которое никто никогда, ни при каких обстоятельствах не может «сломать». Это не означает, что файлы в sysfs статичны, что противоречило бы подсчету ссылок на нестабильные объекты.
Стабильный двоичный интерфейс приложений ядра (kernel's stable ABI) ограничивает то, что может появиться в /sys, а не то, что на самом деле присутствует в данный конкретный момент. Листинг разрешений на файлы в sysfs обеспечивает понимание того, как конфигурируемые параметры устройств, модулей, файловых систем и т.д. могут быть настроены или прочитаны. Делаем логический вывод, что procfs также является частью stable ABI ядра, хотя это не указано явно в документации.



Файлы в sysfs описывают одно конкретное свойство для каждой сущности и могут быть читаемыми, перезаписываемыми или и то и другое сразу. «0» в файле говорит о том, что SSD не может быть удален.

Вторую часть перевода начнем с того, как наблюдать за VFS с помощью инструментов eBPF и bcc, а сейчас ждем ваши комментарии и традиционно приглашаем на открытый вебинар, который уже 9 апреля проведет наш преподаватель — Владимир Дроздецкий.

Вторая часть.