Correzioni di claudio

[gapil.git] / fileintro.tex

\chapter{L'architettura dei file}
\label{cha:file_intro}

Uno dei concetti fondamentali della architettura di unix è il cosiddetto
\textit{everything is a file}, cioè il fatto che l'accesso ai vari dispositivi
di input/output del computer viene effettuato attraverso un'interfaccia
astratta che tratta le periferiche allo stesso modo degli usuali file di dati.

Questo significa che si può accedere a qualunque periferica del computer,
dalla seriale, alla parallela, alla console, e agli stessi dischi attraverso i
cosiddetti file di dispositivo (i \textit{device file}). Questi sono dei file
speciali agendo sui quali i programmi possono leggere, scrivere e compiere
operazioni direttamente sulle periferiche, usando le stesse funzioni che si
usano per i normali file di dati.

In questo capitolo forniremo un'introduzione all'architettura della gestione
dei file, sia nelle sue caratteristiche generiche comuni a tutti gli unix, che
nelle particolarità che ha la specifica implementazione usata da Linux. Al
contempo tratteremo l'organizzazione dei file in un sistema unix-like, e le
varie caratteristiche distintive.



\section{L'organizzazione di file e directory}
\label{sec:file_organization}

Il primo passo nella trattazione dell'architettura della gestione dei file in
un sistema unix-like, è quello dell'esame di come essi vengono organizzati e
di quale è la struttura che hanno all'interno del sistema.


\subsection{La struttura di file e directory}
\label{sec:file_file_struct}

Partiamo allora da come viene strutturata nel sistema la disposizione dei
file: per potervi accedere il kernel usa una apposita interfaccia che permetta
di accedere all'informazione tenuta sullo spazio grezzo disponibile sui
dischi, cioè quello che si chiama un \textit{filesystem}\footnote{useremo per
  brevità questo nome al posto della più prolissa traduzione italiana sistema
  di file}, che descriveremo in dettaglio in \secref{sec:file_vfs}.

Sarà attraverso quest'ultimo che il kernel andrà a gestire l'accesso ai dati
memorizzati all'interno del disco stesso, strutturando l'informazione in file
e directory.  Per poter accedere ai file contenuti in un disco occorrerà
perciò attivare il filesystem, questo viene fatto \textsl{montando} il disco
(o la partizione del disco).

%In generale un filesystem piazzerà opportunamente sul disco dei blocchi di
%informazioni riservate che tengono conto degli inodes allocati, di quelli
%liberi, e delle posizioni fisiche su disco dei dati contenuti nei file, per

In unix, a differenza di quanto avviene in altri sistemi operativi, tutti i
file vengono tenuti all'interno di un unico albero la cui radice (la directory
di \textit{root}) viene montata all'avvio. Pertanto un file viene identificato
dall'utente usando quello che viene chiamato \textit{pathname}, cioè il
percorso che si deve fare per accedere al file.

Dopo la fase di inizializzazione il kernel riceve dal boot loader
l'indicazione di quale dispositivo contiene il filesystem da usare come punto
di partenza e questo viene montato come radice dell'albero (cioè nella
directory \file{/}); tutti gli ulteriori dischi devono poi essere inseriti
nell'albero utilizzando opportune subdirectory.

Alcuni filesystem speciali (come \file{/proc} che contiene un'interfaccia ad
alcune strutture interne del kernel) sono generati automaticamente dal kernel
stesso, ma anche essi devono essere montati all'interno dell'albero.

All'interno dello stesso albero si potranno poi inserire anche gli altri
oggetti visti attraverso l'interfaccia che manipola i file come le FIFO, i
link, i socket e gli stessi i file di dispositivo (questi ultimi, per
convenzione, sono inseriti nella directory \file{/dev}).

L'organizzazione dei nomi dei file deriva direttamente dall'organizzazione dei
medesimi nell'albero descritto in precedenza; una directory comunque, come già
specificato in \secref{sec:file_vfs}, è solo un particolare tipo di file
che contiene le informazioni che associano un nome al contenuto.

% Per questo, anche se è usuale parlare di ``file in una directory'' in realtà
% una directory contiene solo delle etichette per fare riferimento ai file
% stessi.

I manuale delle glibc chiama i nomi contenuti nelle directory
\textsl{componenti} (in inglese \textit{file name components}), noi li
chiameremo più semplicemente \textit{nomi}. Un file può essere indicato
rispetto alla directory corrente semplicemente specificando il nome da essa
contenuto. Una directory contiene semplicemente un elenco di questi nomi, che
possono corrispondere a un qualunque oggetto del filesystem, compresa un'altra
directory; l'albero viene appunto creato inserendo directory in altre
directory.

Il nome completo di file generico è composto da una serie di nomi separati da
una \file{/} (in Linux più \file{/} consecutive sono considerate
equivalenti ad una sola). Il nome completo di un file viene usualmente
chiamato \textit{pathname}, e anche se il manuale della glibc depreca questo
nome (poiché genererebbe confusione, dato che con \textit{path} si indica
anche un insieme di directory su cui effettuare una ricerca, come quello in
cui si cercano i comandi); non seguiremo questa scelta dato che l'uso della
parola \textit{pathname} è ormai così comune che è senz'altro più chiaro
dell'alternativa proposta.

Il processo con cui si associa ad un pathname uno specifico file è chiamato
risoluzione del nome (\textit{file name resolution} o \textit{pathname
  resolution}).  La risoluzione viene fatta esaminando il pathname da destra a
sinistra e localizzando ogni nome nella directory indicata dal nome
precedente: ovviamente perché il procedimento funzioni occorre che i nomi
indicati come directory esistano e siano effettivamente directory, inoltre i
permessi devono consentire l'accesso.

Se il pathname comincia per \file{/} la ricerca parte dalla directory radice
del processo; questa, a meno di un \textit{chroot} (su cui torneremo in
seguito, vedi \secref{sec:xxx_chroot}) è la stessa per tutti i processi ed
equivale alla directory radice dell'albero (come descritto in
\secref{sec:file_organization}): in questo caso si parla di un pathname
\textsl{assoluto}. Altrimenti la ricerca parte dalla directory corrente (su
cui torneremo più avanti in \secref{sec:file_work_dir}) ed il pathname è
detto \textsl{relativo}.

I nomi \file{.} e \file{..} hanno un significato speciale e vengono inseriti
in ogni directory, il primo fa riferimento alla directory corrente e il
secondo alla directory \textsl{genitrice} (\textit{parent directory}) cioè la
directory che contiene il riferimento alla directory corrente; nel caso questa
sia la directory radice allora il riferimento è a se stessa.


\subsection{I tipi di file}
\label{sec:file_file_types}

Come detto in precedenza in unix esistono vari tipi di file, in Linux questi
sono implementati come oggetti del \textit{Virtual File System} (vedi
\secref{sec:file_vfs}) e sono presenti in tutti i filesystem unix-like
utilizzabili con Linux. L'elenco dei vari tipi di file definiti dal Virtual
File System è riportato in \ntab.

Si tenga ben presente che questa classificazione non ha nulla a che fare con
la classificazione sui tipi di file (che in questo caso sono sempre file di
dati) in base al loro contenuto, o tipo di accesso.

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
    \begin{tabular}[c]{|l|l|p{7cm}|}
    \hline
    \multicolumn{2}{|c|}{\textbf{Tipo di file}} & \textbf{Descrizione} \\
    \hline
    \hline
      \textit{regular file} & \textsl{file normale} &
      un file che contiene dei dati (l'accezione normale di file) \\
      \textit{directory} & \textsl{cartella o direttorio} &
      un file che contiene una lista di nomi associati a degli inodes \\
      \textit{symbolic link} & \textsl{collegamento simbolico} &
      un file che contiene un riferimento ad un altro file/directory \\
      \textit{char device} & \textsl{dispositivo a caratteri} &
      un file che identifica una periferica ad accesso sequenziale \\
      \textit{block device} & \textsl{dispositivo a blocchi} &
      un file che identifica una periferica ad accesso diretto \\
      \textit{fifo} & \textsl{tubo} &
      un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
      (unidirezionale) \\
      \textit{socket} & \textsl{manicotto} &
      un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
      (bidirezionale) \\
    \hline
    \end{tabular}
    \caption{Tipologia dei file definiti nel VFS}
    \label{tab:file_file_types}
\end{table}

Infatti una delle differenze principali con altri sistemi operativi (come il
VMS o Windows) è che per Unix tutti i file di dati sono identici e contengono
un flusso continuo di byte. Non esiste cioè differenza per come vengono visti
dal sistema file di diverso contenuto o formato (come nel caso di quella fra
file di testo e binari che c'è in Windows) né c'è una strutturazione a record
per il cosiddetto ``accesso diretto'' come nel caso del VMS\footnote{con i
  kernel della serie 2.4 è disponibile una forma di accesso diretto ai dischi
  (il \textit{raw access}) attraverso dei device file appositi, che però non
  ha nulla a che fare con questo}.

Una seconda differenza è nel formato dei file ASCII; in Unix la fine riga è
codificata in maniera diversa da Windows o Mac, in particolare il fine
riga è il carattere \texttt{LF} (o \verb|\n|) al posto del \texttt{CR}
(\verb|\r|) del Mac e del \texttt{CR LF} di Windows. Questo può causare alcuni
problemi qualora nei programmi si facciano assunzioni sul terminatore della
riga.


\subsection{Le due interfacce ai file}
\label{sec:file_io_api}

In unix le modalità di accesso ai file e le relative interfacce di
programmazione sono due, basate su due diversi meccanismi con cui è possibile
accedere al loro contenuto.

La prima è l'interfaccia standard di unix, quella che il manuale delle glibc
chiama interfaccia dei descrittori di file (o \textit{file descriptor}).  È
un'interfaccia specifica di unix e provvede un accesso non bufferizzato, la
tratteremo in dettaglio in \capref{cha:file_unix_interface}.

L'interfaccia è primitiva ed essenziale, l'accesso viene detto non
bufferizzato in quanto la lettura e la scrittura vengono eseguite chiamando
direttamente le system call del kernel (in realtà il kernel effettua al suo
interno alcune bufferizzazioni per aumentare l'efficienza nell'accesso ai
dispositivi); i file descriptor sono rappresentati da numeri interi (cioè
semplici variabili di tipo \type{int}).  L'interfaccia è definita
nell'header \file{unistd.h}.

La seconda interfaccia è quella che il manuale della glibc chiama degli
\textit{stream}, essa provvede funzioni più evolute e un accesso bufferizzato
(controllato dalla implementazione fatta dalle librerie del C), la tratteremo
in dettaglio in \capref{cha:files_std_interface}.

Questa è l'interfaccia standard specificata dall'ANSI C e perciò si trova
anche su tutti i sistemi non unix. Gli stream sono oggetti complessi e sono
rappresentati da puntatori ad un opportuna struttura definita dalle librerie
del C, si accede ad essi sempre in maniera indiretta utilizzando il tipo
\type{FILE *}.  L'interfaccia è definita nell'header \type{stdio.h}.

Entrambe le interfacce possono essere usate per l'accesso ai file come agli
altri oggetti del VFS (pipe, socket, device), ma per poter accedere alle
operazioni di controllo sul particolare tipo di oggetto del VFS scelto occorre
usare l'interfaccia standard di unix coi file descriptor. Allo stesso modo
devono essere usati i file descriptor se si vuole ricorrere a modalità
speciali di I/O come il polling o il non-bloccante (vedi
\secref{sec:file_noblocking}).

Gli stream forniscono un'interfaccia di alto livello costruita sopra quella
dei file descriptor, che tratta tutti i file nello stesso modo, con
l'eccezione di poter scegliere tra diversi stili di bufferizzazione.  Il
maggior vantaggio degli stream è che l'interfaccia per le operazioni di
input/output è enormemente più ricca di quella dei file descriptor, che
provvedono solo funzioni elementari per la lettura/scrittura diretta di
blocchi di byte.  In particolare gli stream dispongono di tutte le funzioni
di formattazione per l'input e l'output adatte per manipolare anche i dati in
forma di linee o singoli caratteri.

In ogni caso, dato che gli stream sono implementati sopra l'interfaccia
standard di unix, è sempre possibile estrarre il file descriptor da uno stream
ed eseguirvi operazioni di basso livello, o associare in un secondo tempo uno
stream ad un file descriptor.

In generale, se non necessitano specificatamente le funzionalità di basso
livello, è opportuno usare sempre gli stream per la loro maggiore portabilità
essendo questi ultimi definiti nello standard ANSI C; l'interfaccia con i file
descriptor invece segue solo lo standard POSIX.1 dei sistemi unix ed è
pertanto di portabilità più limitata.


\subsection{Caratteristiche specifiche dei file in unix}
\label{sec:fileint_unix_spec}

Essendo un sistema multitasking e multiutente esistono alcune caratteristiche
specifiche di un sistema unix-like che devono essere tenute in conto
nell'accesso ai file. È infatti normale che più processi o programmi possano
accedere contemporaneamente allo stesso file e devono poter eseguire le loro
operazioni indipendentemente da quello che fanno gli altri processi.

Per questo motivo le strutture usate per all'accesso ai file sono relative al
processo che effettua l'accesso.  All'apertura di ogni file infatti viene
creata all'interno del processo una apposita struttura in cui sono memorizzati
tutti gli attributi del medesimo, che viene utilizzata per tutte le
operazioni. Questa è una struttura che resta locale al processo stesso; in
questo modo processi diversi possono usare le proprie strutture locali per
accedere ai file (che può essere sempre lo stesso) in maniera assolutamente
indipendente.

Questo ha delle conseguenze di cui è bene tenere conto; ad esempio in tutti i
sistemi POSIX uno degli attributi di un file aperto è la posizione corrente nel
file, cioè il punto nel file in cui verrebbe letto o scritto alla operazione
successiva. Essa è rappresentata da un numero intero che indica il numero di
byte dall'inizio del file, che viene (a meno che non si apra il file in
append) inizializzato a zero all'apertura del medesimo.

Questo è uno dei dati che viene mantenuto nella suddetta struttura, per cui
ogni processo avrà la sua posizione corrente nel file, che non sarà
influenzata da quello che altri processi possono fare. Anzi, aprire un file
significa appunto creare ed inizializzare una tale struttura, per cui se si
apre due volte lo stesso file all'interno dello stesso processo, si otterranno
due file descriptor o due stream che avranno ancora una posizione corrente nel
file assolutamente indipendente.

Si tenga conto inoltre che un'altro dei dati contenuti nella struttura di
accesso è un riferimento all'inode del file, pertanto anche se il file viene
cancellato da un altro processo, sarà sempre possibile mantenere l'accesso ai
dati, e lo spazio su disco non verrà rilasciato fintanto che il file non sarà
chiuso e l'ultimo riferimento cancellato. È pertanto possibile (come vedremo
in dettaglio in \secref{sec:file_link}) aprire un file provvisorio per
cancellarlo immediatamente dopo; in questo modo all'uscita del programma il
file scomparirà definitivamente dal disco, ma il file ed il suo contenuto
saranno disponibili per tutto il tempo in cui il processo è attivo.

Ritorneremo su questo più avanti, quando tratteremo l'input/output sui file,
esaminando in dettaglio come tutto ciò viene realizzato.

Si ricordi infine che in ambiente unix non esistono i tipi di file e che non
c'è nessun supporto per le estensioni come parte del filesystem. Ciò non
ostante molti programmi adottano delle convenzioni per i nomi dei file, ad
esempio il codice C normalmente si mette in file con l'estensione .c, ma
questa è, appunto, solo una convenzione.


\section{L'architettura della gestione dei file}
\label{sec:file_architecture}

Per capire fino in fondo le proprietà di file e directory in un sistema
unix-like ed il funzionamento delle relative funzioni di manipolazione occorre
una breve introduzione sulla gestione dei medesimo e sugli oggetti su cui è
basato un filesystem di tipo unix. In particolare occorre tenere presente
dov'è che si situa la divisione fondamentale fra kernel space e user space che
tracciavamo al \capref{cha:intro_unix}.

In questa sezione esamineremo come viene implementato l'accesso ai file in
Linux, come il kernel può gestire diversi tipi di filesystem, descrivendo
poi in maniera un po' più dettagliata il filesystem standard di Linux,
l'\acr{ext2}, come esempio di un filesystem unix-like.


% in particolare si riprenderà, approfondendolo sul piano
% dell'uso nelle funzioni di libreria, il concetto di \textit{inode} di cui
% abbiamo brevemente accennato le caratteristiche (dal lato dell'implementazione
% nel kernel) in \secref{sec:file_vfs}.


\subsection{Il \textit{virtual filesystem} di Linux}
\label{sec:file_vfs}

% Questa sezione riporta informazioni sui dettagli di come il kernel gestisce i
% file.  L'argomento è abbastanza ``esoterico'' e questa sezione può essere
% saltata ad una prima lettura; è bene però tenere presente che vengono
% introdotti qui alcuni termini che potranno comparire in seguito, come
% \textit{inode}, \textit{dentry}, \textit{dcache}.

In Linux il concetto di \textit{everything is a file} è stato implementato
attraverso il \textit{Virtual File System} (da qui in avanti VFS) che è
l'interfaccia che il kernel rende disponibile ai programmi in user space
attraverso la quale vengono manipolati i file; esso provvede un livello di
indirezione che permette di collegare le operazioni di manipolazione sui file
alle operazioni di I/O e gestisce l'organizzazione di questi ultimi nei vari
modi in cui diversi filesystem la effettuano, permettendo la coesistenza
di filesystem differenti all'interno dello stesso albero delle directory

Quando un processo esegue una system call che opera su un file il kernel
chiama sempre una funzione implementata nel VFS; la funzione eseguirà le
manipolazioni sulle strutture generiche e utilizzerà poi la chiamata alla
opportune routine del filesystem specifico a cui si fa riferimento. Saranno
queste a chiamare le funzioni di più basso livello che eseguono le operazioni
di I/O sul dispositivo fisico, secondo lo schema riportato in \nfig.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=7cm]{img/vfs}
  \caption{Schema delle operazioni del VFS}
  \label{fig:file_VFS_scheme}
\end{figure}

Il VFS definisce un insieme di funzioni che tutti i filesystem devono
implementare. L'interfaccia comprende tutte le funzioni che riguardano i
file; le operazioni sono suddivise su tre tipi di oggetti: filesystem, inode
e file, corrispondenti a tre apposite strutture definite nel kernel.

Il VFS usa una tabella mantenuta dal kernel che contiene il nome di ciascun
filesystem supportato: quando si vuole inserire il supporto di un nuovo
filesystem tutto quello che occorre è chiamare la funzione
\func{register\_filesystem} passandole un'apposita struttura
(\var{file\_system\_type}) che contiene i dettagli per il riferimento
all'implementazione del medesimo, che sarà aggiunta alla citata tabella.


In questo modo quando viene effettuata la richiesta di montare un nuovo disco
(o qualunque altro \textit{block device} che può contenere un filesystem), il
VFS può ricavare dalla citata tabella il puntatore alle funzioni da chiamare
nelle operazioni di montaggio. Quest'ultima è responsabile di leggere da disco
il superblock (vedi \ref{sec:file_ext2}), inizializzare tutte le
variabili interne e restituire uno speciale descrittore dei filesystem montati
al VFS; attraverso quest'ultimo diventa possibile accedere alle routine
specifiche per l'uso di quel filesystem.

Il primo oggetto usato dal VFS è il descrittore di filesystem, un puntatore ad
una apposita struttura che contiene vari dati come le informazioni comuni ad
ogni filesystem, i dati privati relativi a quel filesystem specifico, e i
puntatori alle funzioni del kernel relative al filesystem. Il VFS può così
usare le funzioni contenute nel filesystem descriptor per accedere alle routine
specifiche di quel filesystem.

Gli altri due descrittori usati dal VFS sono relativi agli altri due oggetti
su cui è strutturata l'interfaccia. Ciascuno di essi contiene le informazioni
relative al file in uso, insieme ai puntatori alle funzioni dello specifico
filesystem usate per l'accesso dal VFS; in particolare il descrittore
dell'inode contiene i puntatori alle funzioni che possono essere usate su
qualunque file (come \func{link}, \func{stat} e \func{open}), mentre il
descrittore di file contiene i puntatori alle funzioni che vengono usate sui
file già aperti.


\subsection{Il funzionamento del VFS}
\label{sec:file_vfs_work}

La funzione più fondamentale implementata dal VFS è la system call
\func{open} che permette di aprire un file. Dato un pathname viene eseguita
una ricerca dentro la \textit{directory entry cache} (in breve
\textit{dcache}), una tabella di hash che contiene tutte le \textit{directory
  entry} (in breve \textit{dentry}) che permette di associare in maniera
rapida ed efficiente il pathname a una specifica dentry.

Una singola \textit{dentry} contiene in genere il puntatore ad un
\textit{inode}; quest'ultimo è la struttura base che sta sul disco e che
identifica un singolo oggetto del VFS sia esso un file ordinario, una
directory, un link simbolico, una FIFO, un file di dispositivo, o una
qualsiasi altra cosa che possa essere rappresentata dal VFS (sui tipi di
``file'' possibili torneremo in seguito). A ciascuno di essi è associata pure
una struttura che sta in memoria, e che oltre alle informazioni sullo
specifico file contiene pure il riferimento alle funzioni (i \textsl{metodi})
da usare per poterlo manipolare.

Le \textit{dentry} ``vivono'' in memoria e non vengono mai salvate su disco,
vengono usate per motivi di velocità, gli inode invece stanno su disco e
vengono copiati in memoria quando serve, ed ogni cambiamento viene copiato
all'indietro sul disco, gli inode che stanno in memoria sono inode del VFS ed
è ad essi che puntano le singole \textit{dentry}.

La \textit{dcache} costituisce perciò una sorta di vista completa di tutto
l'albero dei file, ovviamente per non riempire tutta la memoria questa vista è
parziale (la \textit{dcache} cioè contiene solo le \textit{dentry} per i file
per i quali è stato richiesto l'accesso), quando si vuole risolvere un nuovo
pathname il VFS deve creare una nuova \textit{dentry} e caricare l'inode
corrispondente in memoria.

Questo procedimento viene eseguito dal metodo \func{lookup()} dell'inode
della directory che contiene il file; questo viene installato nelle relative
strutture in memoria quando si effettua il montaggio lo specifico filesystem
su cui l'inode va a vivere.

Una volta che il VFS ha a disposizione la dentry (ed il relativo inode)
diventa possibile accedere alle varie operazioni sul file come la
\func{open} per aprire il file o la \func{stat} per leggere i dati
dell'inode e passarli in user space.

L'apertura di un file richiede comunque un'altra operazione, l'allocazione di
una struttura di tipo \var{file} in cui viene inserito un puntatore alla
\textit{dentry} e una struttura \var{f\_ops} che contiene i puntatori ai
metodi che implementano le operazioni disponibili sul file. In questo modo i
processi in user space possono accedere alle operazioni attraverso detti
metodi, che saranno diversi a seconda del tipo di file (o dispositivo) aperto
(su questo torneremo in dettaglio in \secref{sec:file_fd}). Un elenco delle
operazioni previste dal kernel è riportato in \ntab.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{7cm}|}
    \hline
    \textbf{Funzione} & \textbf{Operazione} \\
    \hline
    \hline
    \textsl{\func{open}}   & apre il file \\
    \textsl{\func{read}}   & legge dal file \\
    \textsl{\func{write}}  & scrive sul file \\ 
    \textsl{\func{llseek}} & sposta la posizione corrente sul file \\
    \textsl{\func{ioctl}}  & accede alle operazioni di controllo 
                       (tramite la \func{ioctl})\\
    \textsl{\func{readdir}}& per leggere il contenuto di una directory \\
    \textsl{\func{poll}}   & \\
    \textsl{\func{mmap}}   & chiamata dalla system call \func{mmap}. 
                       mappa il file in memoria\\
    \textsl{\func{release}}& chiamata quando l'ultima referenza a un file 
                       aperto è chiusa\\
    \textsl{\func{fsync}}  & chiamata dalla system call \func{fsync} \\
    \textsl{\func{fasync}} & chiamate da \func{fcntl} quando è abilitato 
                           il modo asincrono per l'I/O su file. \\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Operazioni sui file definite nel VFS.}
  \label{tab:file_file_operations}
\end{table}

In questo modo per ciascun file diventano utilizzabili una serie di operazioni
(non è dette che tutte siano disponibili), che costituiscono l'interfaccia
astratta del VFS, e qualora se ne voglia eseguire una il kernel andrà ad
utilizzare la opportuna routine dichiarata in \var{f\_ops} appropriata al tipo
di file in questione. 

Così sarà possibile scrivere sulla porta seriale come su un file di dati
normale; ovviamente certe operazioni (nel caso della seriale ad esempio la
\func{seek}) non saranno disponibili, però con questo sistema l'utilizzo di
diversi filesystem (come quelli usati da Windows o MacOs) è immediato e
(relativamente) trasparente per l'utente ed il programmatore.


\subsection{Il funzionamento di un filesystem unix}
\label{sec:file_filesystem}

Come già accennato in \secref{sec:file_organization} Linux (ed ogni unix
in generale) organizza i dati che tiene su disco attraverso l'uso di un
filesystem. Una delle caratteristiche di Linux rispetto agli altri unix è
quella di poter supportare grazie al VFS una enorme quantità di filesystem
diversi, ognuno dei quali ha una sua particolare struttura e funzionalità
proprie; per questo non entreremo nei dettagli di un filesystem specifico, ma
daremo una descrizione a grandi linee che si adatta alle caratteristiche
comuni di un qualunque filesystem standard unix.

Dato un disco lo spazio fisico viene usualmente diviso in partizioni; ogni
partizione può contenere un filesystem; la strutturazione tipica
dell'informazione su un disco è riportata in \nfig; in essa si fa riferimento
alla struttura del filesystem \acr{ext2}, che prevede una separazione dei dati
in \textit{blocks group} che replicano il superblock (ma sulle caratteristiche
di \acr{ext2} torneremo in \secref{sec:file_ext2}). È comunque caratteristica
comune di tutti i filesystem unix, indipendentemente da come poi viene
strutturata nei dettagli questa informazione, prevedere una divisione fra la
lista degli inodes e lo spazio a disposizione per i dati e le directory.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=9cm]{img/disk_struct}
  \caption{Organizzazione dello spazio su un disco in partizioni e filesystem}
  \label{fig:file_disk_filesys}
\end{figure}

Se si va ad esaminare con maggiore dettaglio la strutturazione
dell'informazione all'interno del singolo filesystem (tralasciando i dettagli
relativi al funzionamento del filesystem stesso come la strutturazione in
gruppi dei blocchi, il superblock e tutti i dati di gestione) possiamo
esemplificare la situazione con uno schema come quello esposto in \nfig.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=11cm]{img/filesys_struct}
  \caption{Strutturazione dei dati all'interno di un filesystem}
  \label{fig:file_filesys_detail}
\end{figure}

Da \curfig\ si evidenziano alcune caratteristiche base di ogni filesystem su
cui è bene porre attenzione in quanto sono fondamentali per capire il
funzionamento delle funzioni che manipolano i file e le directory su cui
torneremo in seguito; in particolare è opportuno ricordare sempre che:

\begin{enumerate}
  
\item L'\textit{inode} contiene tutte le informazioni riguardanti il file: il
  tipo di file, i permessi di accesso, le dimensioni, i puntatori ai blocchi
  fisici che contengono i dati e così via; le informazioni che la funzione
  \func{stat} fornisce provengono dall'\textit{inode}; dentro una directory si
  troverà solo il nome del file e il numero dell'\textit{inode} ad esso
  associato, cioè quella che da qui in poi chiameremo una \textsl{voce}
  (traduzione approssimata dell'inglese \textit{directory entry}, che non
  useremo anche per evitare confusione con le \textit{dentry} del kernel di
  cui si parlava in \secref{sec:file_vfs}).
  
\item Come mostrato in \curfig si possono avere più voci che puntano allo
  stesso \textit{inode}. Ogni \textit{inode} ha un contatore che contiene il
  numero di riferimenti (\textit{link count}) che sono stati fatti ad esso;
  solo quando questo contatore si annulla i dati del file vengono
  effettivamente rimossi dal disco. Per questo la funzione per cancellare un
  file si chiama \func{unlink}, ed in realtà non cancella affatto i dati del
  file, ma si limita a eliminare la relativa voce da una directory e
  decrementare il numero di riferimenti nell'\textit{inode}.
  
\item Il numero di \textit{inode} nella voce si riferisce ad un \textit{inode}
  nello stesso filesystem e non ci può essere una directory che contiene
  riferimenti ad \textit{inodes} relativi ad altri filesystem. Questo limita
  l'uso del comando \cmd{ln} (che crea una nuova voce per un file
  esistente, con la funzione \func{link}) al filesystem corrente.
  
\item Quando si cambia nome ad un file senza cambiare filesystem il contenuto
  del file non deve essere spostato, viene semplicemente creata una nuova voce
  per l'\textit{inode} in questione e rimossa la vecchia (questa è la modalità
  in cui opera normalmente il comando \cmd{mv} attraverso la funzione
  \func{rename}).

\end{enumerate}

Infine è bene avere presente che essendo file pure loro, esiste un numero di
riferimenti anche per le directory; per cui se ad esempio a partire dalla
situazione mostrata in \curfig\ creiamo una nuova directory \file{img} nella
directory \file{gapil}: avremo una situazione come quella in \nfig, dove per
chiarezza abbiamo aggiunto dei numeri di inode.

\begin{figure}[htb]
  \centering 
  \includegraphics[width=11cm]{img/dir_links}
  \caption{Organizzazione dei link per le directory}
  \label{fig:file_dirs_link}
\end{figure}

La nuova directory avrà allora un numero di riferimenti pari a due, in quanto
è referenziata dalla directory da cui si era partiti (in cui è inserita la
nuova voce che fa riferimento a \file{img}) e dalla voce \file{.}
che è sempre inserita in ogni directory; questo vale sempre per ogni directory
che non contenga a sua volta altre directory. Al contempo la directory da
cui si era partiti avrà un numero di riferiementi di almeno tre, in quanto
adesso sarà referenziata anche dalla voce \file{..} di \file{img}.


\subsection{Il filesystem \textsl{ext2}}
\label{sec:file_ext2}

Il filesystem standard usato da Linux è il cosiddetto \textit{second extended
  filesystem}, identificato dalla sigla \acr{ext2}. Esso supporta tutte le
caratteristiche di un filesystem standard unix, è in grado di gestire
filename lunghi (256 caratteri, estendibili a 1012), una dimensione fino a
4~Tb. 

Oltre alle caratteristiche standard \acr{ext2} fornisce alcune estensioni
che non sono presenti sugli altri filesystem unix, le cui principali sono le
seguenti:
\begin{itemize}
\item i \textit{file attributes} consentono di modificare il comportamento del
  kernel quando agisce su gruppi di file. Possono essere settati su file e
  directory e in quest'ultimo caso i nuovi file creati nella directory
  ereditano i suoi attributi.
\item sono supportate entrambe le semantiche di BSD e SVr4 come opzioni di
  montaggio. La semantica BSD comporta che i file in una directory sono creati
  con lo stesso identificatore di gruppo della directory che li contiene. La
  semantica SVr4 comporta che i file vengono creati con l'identificatore del
  gruppo primario del processo, eccetto il caso in cui la directory ha il bit
  di \acr{sgid} settato (per una descrizione dettagliata del significato di
  questi termini si veda \secref{sec:file_access_control}), nel qual caso file
  e subdirectory ereditano sia il \acr{gid} che lo \acr{sgid}.
\item l'amministratore può scegliere la dimensione dei blocchi del filesystem
  in fase di creazione, a seconda delle sue esigenze (blocchi più grandi
  permettono un accesso più veloce, ma sprecano più spazio disco).
\item il filesystem implementa link simbolici veloci, in cui il nome del file
  non è salvato su un blocco, ma tenuto all'interno dell'inode (evitando
  letture multiple e spreco di spazio), non tutti i nomi però possono essere
  gestiti così per limiti di spazio (il limite è 60 caratteri). 
\item vengono supportati i file immutabili (che possono solo essere letti) per
  la protezione di file di configurazione sensibili, o file
  \textit{append-only} che possono essere aperti in scrittura solo per
  aggiungere dati (caratteristica utilizzabile per la protezione dei file di
  log).
\end{itemize}

La struttura di \acr{ext2} è stata ispirata a quella del filesystem di BSD,
un filesystem è composto da un insieme di blocchi, la struttura generale è
quella riportata in \figref{fig:file_filesys_detail}, in cui la partizione
è divisa in gruppi di blocchi.

Ciascun gruppo di blocchi contiene una copia delle informazioni essenziali del
filesystem (superblock e descrittore del filesystem sono quindi ridondati) per
una maggiore affidabilità e possibilità di recupero in caso di corruzione del
superblock principale.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=9cm]{img/dir_struct}  
  \caption{Struttura delle directory nel \textit{second extented filesystem}.}
  \label{fig:file_ext2_dirs}
\end{figure}

L'utilizzo di raggruppamenti di blocchi ha inoltre degli effetti positivi nelle
prestazioni dato che viene ridotta la distanza fra i dati e la tabella degli
inode. 

Le directory sono implementate come una linked list con voci di dimensione
variabile. Ciascuna voce della lista contiene il numero di inode, la sua
lunghezza, il nome del file e la sua lunghezza, secondo lo schema in \curfig;
in questo modo è possibile implementare nomi per i file anche molto lunghi
(fino a 1024 caratteri) senza sprecare spazio disco.