Aggiunto link interessante
[gapil.git] / fileintro.tex
1 %% fileintro.tex
2 %%
3 %% Copyright (C) 2000-2009 Simone Piccardi.  Permission is granted to
4 %% copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free
5 %% Documentation License, Version 1.1 or any later version published by the
6 %% Free Software Foundation; with the Invariant Sections being "Prefazione",
7 %% with no Front-Cover Texts, and with no Back-Cover Texts.  A copy of the
8 %% license is included in the section entitled "GNU Free Documentation
9 %% License".
10 %%
11
12 \chapter{L'architettura dei file}
13 \label{cha:file_intro}
14
15 Uno dei concetti fondamentali dell'architettura di un sistema Unix è il
16 cosiddetto \textit{everything is a file}, cioè il fatto che l'accesso ai vari
17 dispositivi di input/output del computer viene effettuato attraverso
18 un'interfaccia astratta che tratta le periferiche allo stesso modo dei normali
19 file di dati.
20
21 Questo significa che si può accedere a qualunque periferica del computer,
22 dalla seriale, alla parallela, alla console, e agli stessi dischi attraverso i
23 cosiddetti \index{file!di~dispositivo} file di dispositivo (i cosiddetti
24 \textit{device file}). Questi sono dei file speciali agendo sui quali i
25 programmi possono leggere, scrivere e compiere operazioni direttamente sulle
26 periferiche, usando le stesse funzioni che si usano per i normali file di
27 dati.
28
29 In questo capitolo forniremo una descrizione dell'architettura dei file in
30 Linux, iniziando da una panoramica sulle caratteristiche principali delle
31 interfacce con cui i processi accedono ai file (che tratteremo in dettaglio
32 nei capitoli seguenti), per poi passare ad una descrizione più dettagliata
33 delle modalità con cui detto accesso viene realizzato dal sistema.
34
35
36
37 \section{L'architettura generale}
38 \label{sec:file_access_arch}
39
40 Per poter accedere ai file, il kernel deve mettere a disposizione dei
41 programmi le opportune interfacce che consentano di leggerne il contenuto; il
42 sistema cioè deve provvedere ad organizzare e rendere accessibile in maniera
43 opportuna l'informazione tenuta sullo spazio grezzo disponibile sui dischi.
44 Questo viene fatto strutturando l'informazione sul disco attraverso quello che
45 si chiama un \textit{filesystem} (vedi sez.~\ref{sec:file_arch_func}), essa
46 poi viene resa disponibile ai processi attraverso quello che viene chiamato il
47 \textsl{montaggio} del \textit{filesystem}.
48
49 In questa sezione faremo una panoramica generica su come il sistema presenta
50 i file ai processi, trattando l'organizzazione di file e directory, i tipi di
51 file ed introducendo le interfacce disponibili e le loro caratteristiche.
52
53
54 \subsection{L'organizzazione di file e directory}
55 \label{sec:file_organization}
56
57 \itindbeg{pathname}
58 In Unix, a differenza di quanto avviene in altri sistemi operativi, tutti i
59 file vengono tenuti all'interno di un unico albero la cui radice (quella che
60 viene chiamata \textit{root directory}) viene montata all'avvio.  Un file
61 viene identificato dall'utente usando quello che viene chiamato
62 \textit{pathname}\footnote{il manuale della \acr{glibc} depreca questa
63   nomenclatura, che genererebbe confusione poiché \textit{path} indica anche
64   un insieme di directory su cui effettuare una ricerca (come quello in cui si
65   cercano i comandi). Al suo posto viene proposto l'uso di \textit{filename} e
66   di componente per il nome del file all'interno della directory. Non
67   seguiremo questa scelta dato che l'uso della parola \textit{pathname} è
68   ormai così comune che mantenerne l'uso è senz'altro più chiaro
69   dell'alternativa proposta.}, cioè il percorso che si deve fare per accedere
70 al file a partire dalla \textit{root directory}, che è composto da una serie
71 di nomi separati da una \file{/}.
72
73 All'avvio del sistema, completata la fase di inizializzazione, il kernel
74 riceve dal bootloader l'indicazione di quale dispositivo contiene il
75 filesystem da usare come punto di partenza e questo viene montato come radice
76 dell'albero (cioè nella directory \file{/}); tutti gli ulteriori filesystem
77 che possono essere su altri dispositivi dovranno poi essere inseriti
78 nell'albero montandoli su opportune directory del filesystem montato come
79 radice.
80
81 Alcuni filesystem speciali (come \file{/proc} che contiene un'interfaccia ad
82 alcune strutture interne del kernel) sono generati automaticamente dal kernel
83 stesso, ma anche essi devono essere montati all'interno dell'albero dei file.
84
85 Una directory, come vedremo in maggior dettaglio in
86 sez.~\ref{sec:file_vfs_work}, è anch'essa un file, solo che è un file
87 particolare che il kernel riconosce come tale. Il suo scopo è quello di
88 contenere una lista di nomi di file e le informazioni che associano ciascun
89 nome al contenuto. Dato che questi nomi possono corrispondere ad un qualunque
90 oggetto del filesystem, compresa un'altra directory, si ottiene naturalmente
91 un'organizzazione ad albero inserendo nomi di directory in altre directory.
92
93 Un file può essere indicato rispetto alla directory corrente semplicemente
94 specificandone il nome\footnote{il manuale delle \acr{glibc} chiama i nomi
95   contenuti nelle directory \textsl{componenti} (in inglese \textit{file name
96     components}), noi li chiameremo più semplicemente \textsl{nomi} o
97   \textsl{voci}.}  da essa contenuto.  All'interno dello stesso albero si
98 potranno poi inserire anche tutti gli altri oggetti visti attraverso
99 l'interfaccia che manipola i file come le fifo, i link, i socket e gli stessi
100 \index{file!di~dispositivo} file di dispositivo (questi ultimi, per
101 convenzione, sono inseriti nella directory \file{/dev}).
102
103 Il nome completo di un file viene chiamato \textit{pathname} ed il
104 procedimento con cui si individua il file a cui esso fa riferimento è chiamato
105 risoluzione del nome (\textit{filename resolution} o \textit{pathname
106 resolution}).  La risoluzione viene fatta esaminando il \textit{pathname} da
107 sinistra a destra e localizzando ogni nome nella directory indicata dal nome
108 precedente usando \texttt{/} come separatore\footnote{nel caso di nome vuoto,
109 il costrutto \file{//} viene considerato equivalente a \file{/}.}: ovviamente,
110 perché il procedimento funzioni, occorre che i nomi indicati come directory
111 esistano e siano effettivamente directory, inoltre i permessi (si veda
112 sez.~\ref{sec:file_access_control}) devono consentire l'accesso all'intero
113 \textit{pathname}.
114
115 Se il \textit{pathname} comincia per \texttt{/} la ricerca parte dalla
116 directory radice del processo; questa, a meno di un \func{chroot} (su cui
117 torneremo in sez.~\ref{sec:file_chroot}) è la stessa per tutti i processi ed
118 equivale alla directory radice dell'albero dei file: in questo caso si parla
119 di un \textsl{pathname assoluto} \itindsub{pathname}{assoluto}.  Altrimenti la
120 ricerca parte dalla directory corrente (su cui torneremo in
121 sez.~\ref{sec:file_work_dir}) ed il pathname è detto
122 \itindsub{pathname}{relativo} \textsl{pathname relativo}.
123
124 I nomi ``\file{.}'' e ``\file{..}'' hanno un significato speciale e vengono
125 inseriti in ogni directory: il primo fa riferimento alla directory corrente e
126 il secondo alla directory \textsl{genitrice} (o \textit{parent directory})
127 cioè la directory che contiene il riferimento alla directory corrente; nel
128 caso la directory corrente coincida con la directory radice, allora il
129 riferimento è a se stessa.  \itindend{pathname}
130
131
132 \subsection{I tipi di file}
133 \label{sec:file_file_types}
134
135 Come detto in precedenza, in Unix esistono vari tipi di file; in Linux questi
136 sono implementati come oggetti del \textit{Virtual File System} (vedi
137 sez.~\ref{sec:file_vfs_work}) e sono presenti in tutti i filesystem unix-like
138 utilizzabili con Linux. L'elenco dei vari tipi di file definiti dal
139 \itindex{Virtual~File~System} \textit{Virtual File System} è riportato in
140 tab.~\ref{tab:file_file_types}.
141
142 Si tenga ben presente che questa classificazione non ha nulla a che fare con
143 la classificazione dei file (che in questo caso sono sempre file di dati) in
144 base al loro contenuto, o tipo di accesso. Essa riguarda invece il tipo di
145 oggetti; in particolare è da notare la presenza dei cosiddetti file speciali.
146 Alcuni di essi, come le \textit{fifo} (che tratteremo in
147 sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}) ed i \textit{socket} (che tratteremo in
148 cap.~\ref{cha:socket_intro}) non sono altro che dei riferimenti per utilizzare
149 delle funzionalità di comunicazione fornite dal kernel. Gli altri sono i
150 \index{file!di~dispositivo} \textsl{file di dispositivo} (o \textit{device
151   file}) che costituiscono una interfaccia diretta per leggere e scrivere sui
152 dispositivi fisici; essi vengono suddivisi in due grandi categorie, \textsl{a
153   blocchi} e \textsl{a caratteri} a seconda delle modalità in cui il
154 dispositivo sottostante effettua le operazioni di I/O.\footnote{in sostanza i
155   dispositivi a blocchi (ad esempio i dischi) corrispondono a periferiche per
156   le quali è richiesto che l'I/O venga effettuato per blocchi di dati di
157   dimensioni fissate (ad esempio le dimensioni di un settore), mentre nei
158   dispositivi a caratteri l'I/O viene effettuato senza nessuna particolare
159   struttura.}
160
161 \begin{table}[htb]
162   \footnotesize
163   \centering
164     \begin{tabular}[c]{|l|l|p{7cm}|}
165     \hline
166     \multicolumn{2}{|c|}{\textbf{Tipo di file}} & \textbf{Descrizione} \\
167     \hline
168     \hline
169       \textit{regular file} & \textsl{file regolare} &
170       Un file che contiene dei dati (l'accezione normale di file).\\
171       \textit{directory} & \textsl{cartella o direttorio} &
172       Un file che contiene una lista di nomi associati a degli
173       \index{inode} \textit{inode} (vedi sez.~\ref{sec:file_vfs}).\\
174       \textit{symbolic link} & \textsl{collegamento simbolico} &
175       Un file che contiene un riferimento ad un altro file/directory.\\
176       \textit{char device} & \textsl{dispositivo a caratteri} &
177       Un file che identifica una periferica ad accesso a caratteri.\\
178       \textit{block device} & \textsl{dispositivo a blocchi} &
179       Un file che identifica una periferica ad accesso a blocchi.\\
180       \textit{fifo} & ``\textsl{coda}'' &
181       Un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
182       unidirezionale (vedi sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}).\\
183       \textit{socket} & ``\textsl{presa}''&
184       Un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
185       bidirezionale (vedi cap.~\ref{cha:socket_intro}).\\
186     \hline
187     \end{tabular}
188     \caption{Tipologia dei file definiti nel VFS}
189     \label{tab:file_file_types}
190 \end{table}
191
192 Una delle differenze principali con altri sistemi operativi (come il VMS o
193 Windows) è che per Unix tutti i file di dati sono identici e contengono un
194 flusso continuo di byte. Non esiste cioè differenza per come vengono visti dal
195 sistema file di diverso contenuto o formato (come nel caso di quella fra file
196 di testo e binari che c'è in Windows) né c'è una strutturazione a record per
197 il cosiddetto ``\textsl{accesso diretto}'' come nel caso del
198 VMS.\footnote{questo vale anche per i dispositivi a blocchi: la strutturazione
199   dell'I/O in blocchi di dimensione fissa avviene solo all'interno del kernel,
200   ed è completamente trasparente all'utente. Inoltre talvolta si parla di
201   \textsl{accesso diretto} riferendosi alla capacità, che non ha niente a che
202   fare con tutto ciò, di effettuare, attraverso degli appositi
203   \index{file!di~dispositivo} file di dispositivo, operazioni di I/O
204   direttamente sui dischi senza passare attraverso un filesystem (il
205   cosiddetto \textit{raw access}, introdotto coi kernel della serie 2.4.x).}
206
207 Una seconda differenza è nel formato dei file ASCII: in Unix la fine riga è
208 codificata in maniera diversa da Windows o Mac, in particolare il fine riga è
209 il carattere \texttt{LF} (o \verb|\n|) al posto del \texttt{CR} (\verb|\r|)
210 del Mac e del \texttt{CR LF} di Windows.\footnote{per questo esistono in Linux
211   dei programmi come \cmd{unix2dos} e \cmd{dos2unix} che effettuano una
212   conversione fra questi due formati di testo.} Questo può causare alcuni
213 problemi qualora nei programmi si facciano assunzioni sul terminatore della
214 riga.
215
216 Si ricordi infine che un kernel Unix non fornisce nessun supporto per la
217 tipizzazione dei file di dati e che non c'è nessun supporto del sistema per le
218 estensioni come parte del filesystem.\footnote{non è così ad esempio nel
219   filesystem HFS dei Mac, che supporta delle risorse associate ad ogni file,
220   che specificano fra l'altro il contenuto ed il programma da usare per
221   leggerlo. In realtà per alcuni filesystem, come l'XFS della SGI, esiste la
222   possibilità di associare delle risorse ai file, ma è una caratteristica
223   tutt'ora poco utilizzata, dato che non corrisponde al modello classico dei
224   file in un sistema Unix.} Ciò nonostante molti programmi adottano delle
225 convenzioni per i nomi dei file, ad esempio il codice C normalmente si mette
226 in file con l'estensione \file{.c}; un'altra tecnica molto usata è quella di
227 utilizzare i primi 4 byte del file per memorizzare un \textit{magic number}
228 che classifichi il contenuto; entrambe queste tecniche, per quanto usate ed
229 accettate in maniera diffusa, restano solo delle convenzioni il cui rispetto è
230 demandato alle applicazioni stesse.
231
232
233 \subsection{Le due interfacce ai file}
234 \label{sec:file_io_api}
235
236 In Linux le modalità di accesso ai file e le relative interfacce di
237 programmazione sono due, basate su due diversi meccanismi con cui è possibile
238 accedere al loro contenuto.
239
240 La prima è l'interfaccia standard di Unix, quella che il manuale delle
241 \textsl{glibc} chiama interfaccia dei descrittori di file (o \textit{file
242   descriptor}).  È un'interfaccia specifica dei sistemi unix-like e fornisce
243 un accesso non bufferizzato; la tratteremo in dettaglio in
244 cap.~\ref{cha:file_unix_interface}.
245
246 L'interfaccia è primitiva ed essenziale, l'accesso viene detto non
247 bufferizzato in quanto la lettura e la scrittura vengono eseguite chiamando
248 direttamente le system call del kernel (in realtà il kernel effettua al suo
249 interno alcune bufferizzazioni per aumentare l'efficienza nell'accesso ai
250 dispositivi); i \index{file!descriptor} \textit{file descriptor} sono
251 rappresentati da numeri interi (cioè semplici variabili di tipo \ctyp{int}).
252 L'interfaccia è definita nell'header \file{unistd.h}.
253
254 La seconda interfaccia è quella che il manuale della \acr{glibc} chiama degli
255 \index{file!stream} \textit{stream}.\footnote{in realtà una interfaccia con lo
256   stesso nome è stata introdotta a livello di kernel negli Unix derivati da
257   \textit{System V}, come strato di astrazione per file e socket; in Linux
258   questa interfaccia, che comunque ha avuto poco successo, non esiste, per cui
259   facendo riferimento agli \index{file!stream} \textit{stream} useremo il
260   significato adottato dal manuale delle \acr{glibc}.} Essa fornisce funzioni
261 più evolute e un accesso bufferizzato (controllato dalla implementazione fatta
262 dalle \acr{glibc}), la tratteremo in dettaglio nel
263 cap.~\ref{cha:files_std_interface}.
264
265 Questa è l'interfaccia standard specificata dall'ANSI C e perciò si trova
266 anche su tutti i sistemi non Unix. Gli \index{file!stream} \textit{stream}
267 sono oggetti complessi e sono rappresentati da puntatori ad un opportuna
268 struttura definita dalle librerie del C; si accede ad essi sempre in maniera
269 indiretta utilizzando il tipo \ctyp{FILE *}.  L'interfaccia è definita
270 nell'header \file{stdio.h}.
271
272 Entrambe le interfacce possono essere usate per l'accesso ai file come agli
273 altri oggetti del VFS (fifo, socket, dispositivi, sui quali torneremo in
274 dettaglio a tempo opportuno), ma per poter accedere alle operazioni di
275 controllo (descritte in sez.~\ref{sec:file_fcntl} e sez.~\ref{sec:file_ioctl})
276 su un qualunque tipo di oggetto del VFS occorre usare l'interfaccia standard
277 di Unix con i \textit{file descriptor}. Allo stesso modo devono essere usati i
278 \index{file!descriptor} \textit{file descriptor} se si vuole ricorrere a
279 modalità speciali di I/O come il \index{file!locking} \textit{file locking} o
280 l'I/O non-bloccante (vedi cap.~\ref{cha:file_advanced}).
281
282 Gli \textit{stream} forniscono un'interfaccia di alto livello costruita sopra
283 quella dei \textit{file descriptor}, che permette di poter scegliere tra
284 diversi stili di bufferizzazione.  Il maggior vantaggio degli \textit{stream}
285 è che l'interfaccia per le operazioni di input/output è enormemente più ricca
286 di quella dei \textit{file descriptor}, che forniscono solo funzioni
287 elementari per la lettura/scrittura diretta di blocchi di byte.  In
288 particolare gli \index{file!stream} \textit{stream} dispongono di tutte le
289 funzioni di formattazione per l'input e l'output adatte per manipolare anche i
290 dati in forma di linee o singoli caratteri.
291
292 In ogni caso, dato che gli stream sono implementati sopra l'interfaccia
293 standard di Unix, è sempre possibile estrarre il \textit{file descriptor} da
294 uno stream ed eseguirvi operazioni di basso livello, o associare in un secondo
295 tempo uno \index{file!stream} \textit{stream} ad un \index{file!descriptor}
296 \textit{file descriptor}.
297
298 In generale, se non necessitano specificatamente le funzionalità di basso
299 livello, è opportuno usare sempre gli \index{file!stream} \textit{stream} per
300 la loro maggiore portabilità, essendo questi ultimi definiti nello standard
301 ANSI C; l'interfaccia con i \index{file!descriptor} \textit{file descriptor}
302 infatti segue solo lo standard POSIX.1 dei sistemi Unix, ed è pertanto di
303 portabilità più limitata.
304
305
306
307 \section{L'architettura della gestione dei file}
308 \label{sec:file_arch_func}
309
310 In questa sezione esamineremo come viene implementato l'accesso ai file in
311 Linux, come il kernel può gestire diversi tipi di filesystem, descrivendo
312 prima le caratteristiche generali di un filesystem di un sistema unix-like,
313 per poi trattare in maniera un po' più dettagliata il filesystem più usato con
314 Linux, l'\acr{ext2} (e derivati).
315
316
317 \subsection{Il \textit{Virtual File System} di Linux}
318 \label{sec:file_vfs}
319
320 % articolo interessante:
321 % http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-virtual-filesystem-switch/index.html?ca=dgr-lnxw97Linux-VFSdth-LXdW&S_TACT=105AGX59&S_CMP=GRlnxw97
322
323 \itindbeg{Virtual~File~System}
324
325 In Linux il concetto di \textit{everything is a file} è stato implementato
326 attraverso il \textit{Virtual File System} (da qui in avanti VFS) che è uno
327 strato intermedio che il kernel usa per accedere ai più svariati filesystem
328 mantenendo la stessa interfaccia per i programmi in user space. Esso fornisce
329 un livello di indirezione che permette di collegare le operazioni di
330 manipolazione sui file alle operazioni di I/O, e gestisce l'organizzazione di
331 queste ultime nei vari modi in cui i diversi filesystem le effettuano,
332 permettendo la coesistenza di filesystem differenti all'interno dello stesso
333 albero delle directory.
334
335 Quando un processo esegue una system call che opera su un file, il kernel
336 chiama sempre una funzione implementata nel VFS; la funzione eseguirà le
337 manipolazioni sulle strutture generiche e utilizzerà poi la chiamata alle
338 opportune funzioni del filesystem specifico a cui si fa riferimento. Saranno
339 queste a chiamare le funzioni di più basso livello che eseguono le operazioni
340 di I/O sul dispositivo fisico, secondo lo schema riportato in
341 fig.~\ref{fig:file_VFS_scheme}.
342
343 \begin{figure}[htb]
344   \centering
345   \includegraphics[width=7cm]{img/vfs}
346   \caption{Schema delle operazioni del VFS.}
347   \label{fig:file_VFS_scheme}
348 \end{figure}
349
350 Il VFS definisce un insieme di funzioni che tutti i filesystem devono
351 implementare. L'interfaccia comprende tutte le funzioni che riguardano i file;
352 le operazioni sono suddivise su tre tipi di oggetti: \textit{filesystem},
353 \index{inode} \textit{inode} e \textit{file}, corrispondenti a tre apposite
354 strutture definite nel kernel.
355
356 Il VFS usa una tabella mantenuta dal kernel che contiene il nome di ciascun
357 filesystem supportato: quando si vuole inserire il supporto di un nuovo
358 filesystem tutto quello che occorre è chiamare la funzione
359 \code{register\_filesystem} passandole un'apposita struttura
360 \code{file\_system\_type} che contiene i dettagli per il riferimento
361 all'implementazione del medesimo, che sarà aggiunta alla citata tabella.
362
363 In questo modo quando viene effettuata la richiesta di montare un nuovo disco
364 (o qualunque altro \textit{block device} che può contenere un filesystem), il
365 VFS può ricavare dalla citata tabella il puntatore alle funzioni da chiamare
366 nelle operazioni di montaggio. Quest'ultima è responsabile di leggere da disco
367 il superblock (vedi sez.~\ref{sec:file_ext2}), inizializzare tutte le variabili
368 interne e restituire uno speciale descrittore dei filesystem montati al VFS;
369 attraverso quest'ultimo diventa possibile accedere alle funzioni specifiche per
370 l'uso di quel filesystem.
371
372 Il primo oggetto usato dal VFS è il descrittore di filesystem, un puntatore ad
373 una apposita struttura che contiene vari dati come le informazioni comuni ad
374 ogni filesystem, i dati privati relativi a quel filesystem specifico, e i
375 puntatori alle funzioni del kernel relative al filesystem. Il VFS può così
376 usare le funzioni contenute nel \textit{filesystem descriptor} per accedere
377 alle funzioni specifiche di quel filesystem.
378
379 Gli altri due descrittori usati dal VFS sono relativi agli altri due oggetti
380 su cui è strutturata l'interfaccia. Ciascuno di essi contiene le informazioni
381 relative al file in uso, insieme ai puntatori alle funzioni dello specifico
382 filesystem usate per l'accesso dal VFS; in particolare il descrittore
383 \index{inode} dell'inode contiene i puntatori alle funzioni che possono essere
384 usate su qualunque file (come \func{link}, \func{stat} e \func{open}), mentre
385 il descrittore di file contiene i puntatori alle funzioni che vengono usate
386 sui file già aperti.
387
388
389 \subsection{Il funzionamento del \textit{Virtual File System}}
390 \label{sec:file_vfs_work}
391
392 La funzione più importante implementata dal VFS è la system call \func{open}
393 che permette di aprire un file. Dato un \itindex{pathname} \textit{pathname}
394 viene eseguita una ricerca dentro la \textit{directory entry cache} (in breve
395 \textit{dcache}), una tabella che contiene tutte le \textit{directory entry}
396 (in breve \textit{dentry}) che permette di associare in maniera rapida ed
397 efficiente il \textit{pathname} a una specifica \textit{dentry}.
398
399 Una singola \textit{dentry} contiene in genere il puntatore ad un
400 \index{inode} \textit{inode}; quest'ultimo è la struttura base che sta sul
401 disco e che identifica un singolo oggetto del VFS sia esso un file ordinario,
402 una directory, un link simbolico, una FIFO, un file di
403 \index{file!di~dispositivo} dispositivo, o una qualsiasi altra cosa che possa
404 essere rappresentata dal VFS (i tipi di file riportati in
405 tab.~\ref{tab:file_file_types}). A ciascuno di essi è associata pure una
406 struttura che sta in memoria, e che, oltre alle informazioni sullo specifico
407 file, contiene anche il riferimento alle funzioni (i \textsl{metodi} del VFS)
408 da usare per poterlo manipolare.
409
410 Le \textit{dentry} ``vivono'' in memoria e non vengono mai salvate su disco,
411 vengono usate per motivi di velocità, gli \index{inode} \textit{inode} invece
412 stanno su disco e vengono copiati in memoria quando serve, ed ogni cambiamento
413 viene copiato all'indietro sul disco, gli \index{inode} inode che stanno in
414 memoria sono \index{inode} inode del VFS ed è ad essi che puntano le singole
415 \textit{dentry}.
416
417 La \textit{dcache} costituisce perciò una sorta di vista completa di tutto
418 l'albero dei file, ovviamente per non riempire tutta la memoria questa vista è
419 parziale (la \textit{dcache} cioè contiene solo le \textit{dentry} per i file
420 per i quali è stato richiesto l'accesso), quando si vuole risolvere un nuovo
421 \itindex{pathname} \textit{pathname} il VFS deve creare una nuova
422 \textit{dentry} e caricare \index{inode} l'inode corrispondente in memoria.
423
424 Questo procedimento viene eseguito dal metodo \code{lookup()} \index{inode}
425 dell'inode della directory che contiene il file; questo viene installato nelle
426 relative strutture in memoria quando si effettua il montaggio lo specifico
427 filesystem su cui l'inode va a vivere.
428
429 Una volta che il VFS ha a disposizione la \textit{dentry} (ed il relativo
430 \textit{inode}) diventa possibile accedere alle varie operazioni sul file come
431 la \func{open} per aprire il file o la \func{stat} per leggere i dati
432 \index{inode} dell'inode e passarli in user space.
433
434 L'apertura di un file richiede comunque un'altra operazione, l'allocazione di
435 una struttura di tipo \struct{file} in cui viene inserito un puntatore alla
436 \textit{dentry} e una struttura \struct{f\_ops} che contiene i puntatori ai
437 metodi che implementano le operazioni disponibili sul file. In questo modo i
438 processi in user space possono accedere alle operazioni attraverso detti
439 metodi, che saranno diversi a seconda del tipo di file (o dispositivo) aperto
440 (su questo torneremo in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_fd}). Un elenco delle
441 operazioni previste dal kernel è riportato in
442 tab.~\ref{tab:file_file_operations}.
443
444 \begin{table}[htb]
445   \centering
446   \footnotesize
447   \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
448     \hline
449     \textbf{Funzione} & \textbf{Operazione} \\
450     \hline
451     \hline
452     \textsl{\code{open}}   & Apre il file (vedi sez.~\ref{sec:file_open}).\\
453     \textsl{\code{read}}   & Legge dal file (vedi sez.~\ref{sec:file_read}).\\
454     \textsl{\code{write}}  & Scrive sul file (vedi 
455                              sez.~\ref{sec:file_write}).\\
456     \textsl{\code{llseek}} & Sposta la posizione corrente sul file (vedi
457                              sez.~\ref{sec:file_lseek}).\\
458     \textsl{\code{ioctl}}  & Accede alle operazioni di controllo 
459                              (vedi sez.~\ref{sec:file_ioctl}).\\
460     \textsl{\code{readdir}}& Legge il contenuto di una directory.\\
461     \textsl{\code{poll}}   & Usata nell'I/O multiplexing (vedi
462                              sez.~\ref{sec:file_multiplexing}).\\
463     \textsl{\code{mmap}}   & Mappa il file in memoria (vedi 
464                              sez.~\ref{sec:file_memory_map}).\\
465     \textsl{\code{release}}& Chiamata quando l'ultimo riferimento a un file 
466                              aperto è chiuso.\\
467     \textsl{\code{fsync}}  & Sincronizza il contenuto del file (vedi
468                              sez.~\ref{sec:file_sync}).\\
469     \textsl{\code{fasync}} & Abilita l'I/O asincrono (vedi
470                              sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}) sul file.\\
471     \hline
472   \end{tabular}
473   \caption{Operazioni sui file definite nel VFS.}
474   \label{tab:file_file_operations}
475 \end{table}
476
477 In questo modo per ciascun file diventano possibili una serie di operazioni
478 (non è detto che tutte siano disponibili), che costituiscono l'interfaccia
479 astratta del VFS.  Qualora se ne voglia eseguire una, il kernel andrà ad
480 utilizzare l'opportuna funzione dichiarata in \struct{f\_ops} appropriata al
481 tipo di file in questione.
482
483 Pertanto è possibile scrivere allo stesso modo sulla porta seriale come su un
484 normale file di dati; ovviamente certe operazioni (nel caso della seriale ad
485 esempio la \code{seek}) non saranno disponibili, però con questo sistema
486 l'utilizzo di diversi filesystem (come quelli usati da Windows o MacOs) è
487 immediato e (relativamente) trasparente per l'utente ed il programmatore.
488 \itindend{Virtual~File~System}
489
490
491 \subsection{Il funzionamento di un filesystem Unix}
492 \label{sec:file_filesystem}
493
494 Come già accennato in sez.~\ref{sec:file_organization} Linux (ed ogni sistema
495 unix-like) organizza i dati che tiene su disco attraverso l'uso di un
496 filesystem. Una delle caratteristiche di Linux rispetto agli altri Unix è
497 quella di poter supportare, grazie al VFS, una enorme quantità di filesystem
498 diversi, ognuno dei quali ha una sua particolare struttura e funzionalità
499 proprie.  Per questo per il momento non entreremo nei dettagli di un
500 filesystem specifico, ma daremo una descrizione a grandi linee che si adatta
501 alle caratteristiche comuni di qualunque filesystem di sistema unix-like.
502
503 Lo spazio fisico di un disco viene usualmente diviso in partizioni; ogni
504 partizione può contenere un filesystem. La strutturazione tipica
505 dell'informazione su un disco è riportata in fig.~\ref{fig:file_disk_filesys};
506 in essa si fa riferimento alla struttura del filesystem \acr{ext2}, che
507 prevede una separazione dei dati in \textit{block group} che replicano il
508 superblock (ma sulle caratteristiche di \acr{ext2} torneremo in
509 sez.~\ref{sec:file_ext2}). È comunque caratteristica comune di tutti i
510 filesystem per Unix, indipendentemente da come poi viene strutturata nei
511 dettagli questa informazione, prevedere una divisione fra la lista degli
512 \index{inode} inode e lo spazio a disposizione per i dati e le directory.
513
514 \begin{figure}[htb]
515   \centering
516   \includegraphics[width=14cm]{img/disk_struct}
517   \caption{Organizzazione dello spazio su un disco in partizioni e
518   filesystem.}
519   \label{fig:file_disk_filesys}
520 \end{figure}
521
522 Se si va ad esaminare con maggiore dettaglio la strutturazione
523 dell'informazione all'interno del singolo filesystem (tralasciando i dettagli
524 relativi al funzionamento del filesystem stesso come la strutturazione in
525 gruppi dei blocchi, il superblock e tutti i dati di gestione) possiamo
526 esemplificare la situazione con uno schema come quello esposto in
527 fig.~\ref{fig:file_filesys_detail}.
528
529 \begin{figure}[htb]
530   \centering
531   \includegraphics[width=14cm]{img/filesys_struct}
532   \caption{Strutturazione dei dati all'interno di un filesystem.}
533   \label{fig:file_filesys_detail}
534 \end{figure}
535
536 Da fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} si evidenziano alcune delle
537 caratteristiche di base di un filesystem, sulle quali è bene porre attenzione
538 visto che sono fondamentali per capire il funzionamento delle funzioni che
539 manipolano i file e le directory che tratteremo nel prossimo capitolo; in
540 particolare è opportuno ricordare sempre che:
541
542 \begin{enumerate}
543   
544 \item L'\textit{inode} \index{inode} contiene tutte le informazioni
545   riguardanti il file: il tipo di file, i permessi di accesso, le dimensioni,
546   i puntatori ai blocchi fisici che contengono i dati e così via; le
547   informazioni che la funzione \func{stat} fornisce provengono
548   dall'\textit{inode}; dentro una directory si troverà solo il nome del file e
549   il numero \index{inode} dell'\textit{inode} ad esso associato, cioè quella
550   che da qui in poi chiameremo una \textsl{voce} (come traduzione dell'inglese
551   \textit{directory entry}, che non useremo anche per evitare confusione con
552   le \textit{dentry} del kernel di cui si parlava in sez.~\ref{sec:file_vfs}).
553   
554 \item Come mostrato in fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} si possono avere più
555   voci che puntano allo stesso \textit{inode}. Ogni \textit{inode} ha un
556   contatore che contiene il numero di riferimenti (\textit{link count}) che
557   sono stati fatti ad esso; solo quando questo contatore si annulla i dati del
558   file vengono effettivamente rimossi dal disco. Per questo la funzione per
559   cancellare un file si chiama \func{unlink}, ed in realtà non cancella
560   affatto i dati del file, ma si limita ad eliminare la relativa voce da una
561   directory e decrementare il numero di riferimenti \index{inode}
562   nell'\textit{inode}.
563   
564 \item Il numero di \textit{inode} nella voce si riferisce ad un \textit{inode}
565   nello stesso filesystem e non ci può essere una directory che contiene
566   riferimenti ad \index{inode} \textit{inode} relativi ad altri filesystem.
567   Questo limita l'uso del comando \cmd{ln} (che crea una nuova voce per un
568   file esistente, con la funzione \func{link}) al filesystem corrente.
569   
570 \item Quando si cambia nome ad un file senza cambiare filesystem, il contenuto
571   del file non viene spostato fisicamente, viene semplicemente creata una
572   nuova voce per \index{inode} l'\textit{inode} in questione e rimossa la
573   vecchia (questa è la modalità in cui opera normalmente il comando \cmd{mv}
574   attraverso la funzione \func{rename}).
575
576 \end{enumerate}
577
578 Infine è bene avere presente che, essendo file pure loro, esiste un numero di
579 riferimenti anche per le directory; per cui, se a partire dalla situazione
580 mostrata in fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} creiamo una nuova directory
581 \file{img} nella directory \file{gapil}, avremo una situazione come quella in
582 fig.~\ref{fig:file_dirs_link}, dove per chiarezza abbiamo aggiunto dei numeri
583 di \index{inode} inode.
584
585 \begin{figure}[htb]
586   \centering 
587   \includegraphics[width=14cm]{img/dir_links}
588   \caption{Organizzazione dei link per le directory.}
589   \label{fig:file_dirs_link}
590 \end{figure}
591
592 La nuova directory avrà allora un numero di riferimenti pari a due, in quanto
593 è referenziata dalla directory da cui si era partiti (in cui è inserita la
594 nuova voce che fa riferimento a \texttt{img}) e dalla voce ``\texttt{.}''  che
595 è sempre inserita in ogni directory; questo vale sempre per ogni directory che
596 non contenga a sua volta altre directory. Al contempo, la directory da cui si
597 era partiti avrà un numero di riferimenti di almeno tre, in quanto adesso sarà
598 referenziata anche dalla voce ``\texttt{..}'' di \texttt{img}.
599
600
601 \subsection{Il filesystem \textsl{ext2}}
602 \label{sec:file_ext2}
603
604 Il filesystem standard usato da Linux è il cosiddetto \textit{second extended
605   filesystem}, identificato dalla sigla \acr{ext2}. Esso supporta tutte le
606 caratteristiche di un filesystem standard Unix, è in grado di gestire nomi di
607 file lunghi (256 caratteri, estensibili a 1012) con una dimensione massima di
608 4~Tb.
609
610 Oltre alle caratteristiche standard, \acr{ext2} fornisce alcune estensioni che
611 non sono presenti sugli altri filesystem Unix. Le principali sono le seguenti:
612 \begin{itemize}
613 \item i \textit{file attributes} consentono di modificare il comportamento del
614   kernel quando agisce su gruppi di file. Possono essere impostati su file e
615   directory e in quest'ultimo caso i nuovi file creati nella directory
616   ereditano i suoi attributi.
617 \item sono supportate entrambe le semantiche di BSD e SVr4 come opzioni di
618   montaggio. La semantica BSD comporta che i file in una directory sono creati
619   con lo stesso identificatore di gruppo della directory che li contiene. La
620   semantica SVr4 comporta che i file vengono creati con l'identificatore del
621   gruppo primario del processo, eccetto il caso in cui la directory ha il bit
622   di \acr{sgid} impostato (per una descrizione dettagliata del significato di
623   questi termini si veda sez.~\ref{sec:file_access_control}), nel qual caso
624   file e subdirectory ereditano sia il \acr{gid} che lo \acr{sgid}.
625 \item l'amministratore può scegliere la dimensione dei blocchi del filesystem
626   in fase di creazione, a seconda delle sue esigenze (blocchi più grandi
627   permettono un accesso più veloce, ma sprecano più spazio disco).
628 \item il filesystem implementa link simbolici veloci, in cui il nome del file
629   non è salvato su un blocco, ma tenuto all'interno \index{inode} dell'inode
630   (evitando letture multiple e spreco di spazio), non tutti i nomi però
631   possono essere gestiti così per limiti di spazio (il limite è 60 caratteri).
632 \item vengono supportati i file immutabili (che possono solo essere letti) per
633   la protezione di file di configurazione sensibili, o file
634   \textit{append-only} che possono essere aperti in scrittura solo per
635   aggiungere dati (caratteristica utilizzabile per la protezione dei file di
636   log).
637 \end{itemize}
638
639 La struttura di \acr{ext2} è stata ispirata a quella del filesystem di BSD: un
640 filesystem è composto da un insieme di blocchi, la struttura generale è quella
641 riportata in fig.~\ref{fig:file_filesys_detail}, in cui la partizione è divisa
642 in gruppi di blocchi.\footnote{non si confonda questa definizione con
643   quella riportata in fig.~\ref{fig:file_dirent_struct}; in quel caso si fa
644   riferimento alla struttura usata in user space per riportare i dati
645   contenuti in una directory generica, questa fa riferimento alla struttura
646   usata dal kernel per un filesystem \acr{ext2}, definita nel file
647   \texttt{ext2\_fs.h} nella directory \texttt{include/linux} dei sorgenti del
648   kernel.}
649
650 Ciascun gruppo di blocchi contiene una copia delle informazioni essenziali del
651 filesystem (superblock e descrittore del filesystem sono quindi ridondati) per
652 una maggiore affidabilità e possibilità di recupero in caso di corruzione del
653 superblock principale.
654
655 \begin{figure}[htb]
656   \centering
657   \includegraphics[width=9cm]{img/dir_struct}  
658   \caption{Struttura delle directory nel \textit{second extented filesystem}.}
659   \label{fig:file_ext2_dirs}
660 \end{figure}
661
662 L'utilizzo di raggruppamenti di blocchi ha inoltre degli effetti positivi
663 nelle prestazioni dato che viene ridotta la distanza fra i dati e la tabella
664 degli \index{inode} inode.
665
666 Le directory sono implementate come una \itindex{linked~list} \textit{linked
667   list} con voci di dimensione variabile. Ciascuna voce della lista contiene
668 il numero di inode \index{inode}, la sua lunghezza, il nome del file e la sua
669 lunghezza, secondo lo schema in fig.~\ref{fig:file_ext2_dirs}; in questo modo
670 è possibile implementare nomi per i file anche molto lunghi (fino a 1024
671 caratteri) senza sprecare spazio disco.
672
673
674 % LocalWords:  everything is device kernel filesystem sez pathname root glibc
675 % LocalWords:  path filename bootloader proc name components fifo socket dev LF
676 % LocalWords:  resolution chroot parent Virtual System like tab cap l'I regular
677 % LocalWords:  inode symbolic char block VFS VMS Windows dell'I raw access Mac
678 % LocalWords:  CR dos HFS l'XFS SGI magic number descriptor system call int ext
679 % LocalWords:  nell'header unistd stream dall'ANSI stdio locking POSIX fig type
680 % LocalWords:  register superblock dell'inode stat entry cache dcache dentry ln
681 % LocalWords:  l'inode lookup ops read write llseek ioctl readdir poll nell'I
682 % LocalWords:  multiplexing mmap fsync fasync seek MacOs group dall' dell' img
683 % LocalWords:  count unlink nell' rename gapil second Tb attributes BSD SVr gid
684 % LocalWords:  sgid append only log fs linux extented linked list
685
686
687 %%% Local Variables: 
688 %%% mode: latex
689 %%% TeX-master: "gapil"
690 %%% End: