Lezione T11 Virtual File System

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1 Lezione T11 Virtual File System Sistemi Operativi (9 CFU), CdL Informatica, A. A. 2013/2014 Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche Università di Modena e Reggio Emilia 1

2 Quote of the day (Meditate, gente, meditate...) In UNIX, everything is a file; if something is not a file, it is a process. Ken Thompson (1943-) Programmatore Il padre dei SO UNIX e Plan 9 Ideatore dei linguaggi B e Go 2

3 IL VIRTUAL FILE SYSTEM 3

4 Che cosa è il Virtual File System (Componente del kernel) Il Virtual File System (VFS) è un sottosistema del kernel. In Linux, esso è implementato in tutti i file di primo livello contenuti nella directory $LINUX/fs. 4

5 A cosa serve il Virtual File System (Fornisce una visione omogenea, gerarchica, di file e directory) Il VFS fornisce una visione omogenea, gerarchica, indipendente dai dispositivi. Visione di cosa? Del contenuto informativo (organizzato per file e directory) ottenuto da: periferiche hardware locali (dischi, CD, chiavette, ). periferiche hardware remote (file system di rete). kernel (file system virtuali per debug, statistiche, ). 5

6 A cosa serve la visione omogenea? (Provate a scambiare due hard disk in Windows...) Si supponga di avere mountpoint con nomi direttamente associabili alle periferiche. Esempio: Windows. Primo disco SATA: C:\. Secondo disco SATA: D:\. Terzo disco SATA: E:\. Si scriva un'applicazione che fa riferimento a file contenuti in D:. Si scambino di posto il secondo ed il terzo disco. L'applicazione non accede più ai file. 6

7 Uno schema (File system virtuali, fisici locali, fisici remoti) Libreria del C Applicazione I/O fread() User Kernel read() Chiamata di sistema Virtual File System sys_read() Lettura vfs_read() /proc file system EXT4 file system VFAT file system NFS file system Hardware RAM Disco interno Disco esterno Disco remoto 7

8 Compiti del Virtual File System (Risoluzione dei percorsi e redirezione al sottosistema opportuno) Il VFS decompone il percorso di un file nelle sue componenti (path lookup) ed individua i dispositivi in cui queste si trovano. Il VFS gestisce descrittori di file rappresentanti i file aperti dall'applicazione. Il descrittore punta ad informazioni sulle operazioni possibili nel file system. 8

9 Struct inode (Il File Control Block) Nei sistemi UNIX (pertanto, anche in GNU/Linux), il FCB è rappresentato da una struttura dati impacchettata in un blocco, detta inode. Nel caso di EXT4, l'inode è definito tramite la struttura dati struct ext4_inode nel file: $LINUX/fs/ext4/ext4.h L'inode contiene informazioni statiche sul file. 9

10 Inode del file system e del VFS (AKA perché è meglio portarsene appresso due, di inode ) File system diversi possono avere inode in formato diverso. Per tale motivo il VFS definisce un unico formato di inode, valido per tutti i file system: struct inode, definita nel file: $LINUX/include/fs.h Tale struttura è creata al primo uso di un file, è riempita con il contenuto dell'inode su disco ed è mantenuta in memoria centrale per motivi di efficienza. 10

11 Struct file (Rappresenta un file aperto) La struct file rappresenta un file aperto: $LINUX/include/fs.h Contiene informazioni dinamiche sul file: puntatore all'inode del VFS. posizione nel file. modalità di apertura. il percorso del file. puntatori alle operazioni possibili sul file. 11

12 Struct dentry (Rappresenta un elemento di directory) La struct dentry rappresenta un elemento del percorso di un file: $LINUX/include/dcache.h Ad esempio, il file /bin/vi è composto da due dentry: /bin (directory) e vi (file). La prima volta che il kernel scandisce tale percorso, costruisce le due dentry e le inserisce in un albero in memoria centrale (dentry cache). 12

13 Path name lookup (Se le dentry sono in RAM, è fulmineo) Perché mantenere le dentry in RAM? Perché l'operazione di analisi del percorso di un file (path name lookup) è frequente e onerosa. Con una dentry cache, il path name lookup si riduce ad una navigazione di un albero binario in memoria centrale. Implementazione in $LINUX/fs/namei.c. Path name lookup implementato dalla funzione vfs_path_lookup(). 13

14 Struct file_operations (Rappresenta le operazioni possibili su un file) La struct file_operations è un array di puntatori a funzione rappresentante le operazioni possibili su un file: $LINUX/include/fs.h Operazioni: lettura, scrittura, apertura, chiusura, flush, 14

15 Struct dentry (Rappresenta un elemento di directory) La struct dentry rappresenta un elemento del percorso di un file: $LINUX/include/dcache.h Ad esempio, il file /bin/vi è composto da due dentry: /bin (directory) e vi (file). La prima volta che il kernel scandisce tale percorso, costruisce le due dentry e le inserisce in un albero in memoria centrale (dentry cache). I lookup successivi sono effettuati in memoria. 15

16 Struct dentry_operations (Rappresenta le operazioni possibili su un elemento del percorso) La struct dentry_operations è un array di puntatori a funzione rappresentante le operazioni possibili su un elemento del percorso: $LINUX/include/dcache.h Operazioni: calcolo hash sul nome, confronto con stringa, eliminazione dalla cache, individuazione del mountpoint, La struttura è impacchettata in 64 byte, in modo tale da occupare una intera linea di cache hardware Accesso fulmineo. 16

17 L'ALBERO DELLE DIRECTORY 17

18 Filesystem Hierarchy Standard (Come sono organizzate le directory di un SO GNU/Linux?) Le directory del file system di root sono organizzate secondo uno standard ben preciso: Filesystem Hierarchy Standard (FHS). kgroups/lsb/fhs 18

19 Organizzazione ad alto livello (10000 feet view) /bin / /boot /dev /etc /home /var /usr /tmp /sbin /lib /run /mnt /opt /proc /root 19

20 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /etc /tmp /var /usr /home La directory /bin contiene i /lib comandi necessari ad un sistema di base /mnt testuale. /opt /proc /root /run /sbin 20

21 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /var /usr /etc La directory /sbin contiene i comandi /home di amministrazione (utenti, periferiche) nonché /lib l'eseguibile init che avvia i /mnt servizi. /opt /proc /root /run /sbin /tmp 21

22 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /var /usr /etc La directory /boot contiene dati relativi /home al processo di boot: immagini del kernel (e relative /lib configurazioni), configurazione /mnt del boot loader. /opt /proc /root /run /sbin /tmp 22

23 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /var /usr /etc La directory /dev contiene i file speciali /home di dispositivo (device special file). Il colloquio a basso /lib livello con le periferiche avviene /mnt interagendo con tali file. /opt /proc /root /run /sbin /tmp 23

24 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /etc /home /lib /tmp La directory /etc contiene la configurazione di sistema /sbin /mnt /root nella /opt macchina. /proc /var /usr (valida per tutti gli utenti) /run relativa ai software installati 24

25 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev studente /etc /home studente /lib /var /usr /tmp La directory /home contiene /sbin gli spazi di lavoro degli utenti /run normali, organizzati in directory. /mnt /root /opt /proc 25

26 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin /boot /dev /etc /home /lib / /var La directory /lib contiene /usr le librerie (dinamiche e statiche) /tmp necessarie all'avvio del sistema. Libreria del C, load /sbin dinamico, moduli del kernel. /run /mnt /opt /proc /root 26

27 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /etc /home /lib /mnt /tmp periferiche esterne nei sistemi /opt /proc /root /var La directory /mnt è il mount /usr point classico, statico per UNIX. Oggi è obsoleta /sbin e sostituita dalla cartella /run /media. 27

28 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /etc /home /lib /mnt /tmp directory bin, sbin, lib, usr, /opt /proc /root /var La directory /opt contiene /usr un root file system (con ) destinato a software /sbin di terze parti non free e /run binario. 28

29 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /var /dev La directory /proc /etc contiene informazioni statistiche /homesulle risorse hardware e software, /lib generate al volo dal kernel. /mnt /opt /proc /root /run /sbin /tmp /usr 29

30 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /dev /var /usr /etc La directory /home /root contiene lo spazio di /lib lavoro dell'utente root (amministratore). /mnt /opt /proc /root /run /sbin /tmp 30

31 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /var /dev La directory /etc /run è un file system contenuto in RAM. /home Esso contiene file volatili /lib associati all'esecuzione di un servizio. /mnt /opt /proc /root /run /sbin /tmp /usr 31

32 File volatili associati all'esecuzione? (Eh?) Ad esempio, gli script di avvio e terminazione di Apache2 (un Web server) devono sapere se il server è attivo oppure no e, nel caso, che PID ha. Tali script gestiscono un file contenente il PID del processo padre: /run/http/httpd.pid. Quando viene eseguito lo script di terminazione, viene letto il PID in tale file ed ucciso il processo esatto. 32

33 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /var /dev La directory /tmp è un file /etc system contenuto in RAM. Esso /homecontiene file temporanei aperti dalle /lib applicazioni e scartati ad /mnt ogni riavvio. /opt /proc /root /run /sbin /tmp /usr 33

34 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot La directory /usr contiene un /dev root file system (con directory bin, sbin, /etc lib, usr, ) destinato al software non necessario /home all'avvio della macchina. Desktop /lib grafico, suite da ufficio, Web browser, giochi, /mnt /opt /proc /root /run /var /usr /tmp /sbin 34

35 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / La /boot directory /usr/local contiene /dev un root file system (con directory bin, sbin, lib, usr, /etc ) destinato al software non /homenecessario all'avvio della macchina. /lib compilato ed installato /mnt localmente da archivi /opt UNIX. /proc /root /run /var /usr /tmp /sbin /local 35

36 Eseguibili di sistema (Servono a far partire la macchina e a gestire periferiche) /bin / /boot /var /dev La directory /var contiene file il cui /etc contenuto è supposto variare (crescere) nel tempo. /home File di log, stato del gestore dei pacchetti, /lib... /run /sbin /tmp /usr /mnt /opt /proc /root 36

37 USI DEL VIRTUAL FILE SYSTEM 37

38 Clone di dischi (One-liner equivalente all'uso di Ghost) Il comando seguente: dd if=/dev/sda of=/dev/sdb effettua una copia blocco per blocco del disco identificato da /dev/sda nel disco identificato da /dev/sdb. Strumento per la clonazione di dischi. 38

39 Masterizzazione di CD (DVD) (One-liner equivalente all'uso di Nero) Il comando seguente: dd if=img.iso of=/dev/cdrw effettua una copia blocco per blocco dell'immagine img.iso nel CD inserito nell'unità /dev/cdrw. Strumento per la masterizzazione di CD. 39

40 Analisi del contenuto di una partizione (Quali stringhe sono scritte sul disco?) Il comando seguente: strings /dev/sda2 legge la partizione identificata da /dev/sda2 ed estrae le sequenze di valori identificanti Strumento per la masterizzazione di CD. 40

41 Visione di un terminale (Cosa sta scrivendo un utente sul terminale?) Il comando seguente: watch -n 1 fold -w 80 /dev/vcs2 stampa ogni secondo la schermata del secondo terminale (tty2). Strumento di monitoraggio dei terminali. Si dia il comando precedente e si vada sul terminale TTY2 con Ctrl-Alt-F2. Si digitino delle stringhe e si osservi il risultato del primo comando. 41

42 Statistiche di un processo (Cosa sta scrivendo un utente sul terminale?) Per un processo di PID p il kernel crea la directory /proc/p contenente informazioni statistiche. Ad esempio, è possibile vedere tutti i file aperti da un processo tramite il seguente comando: ls -l /proc/p/fd 42

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