%% fileintro.tex
%%
%% Copyright (C) 2000-2011 Simone Piccardi.  Permission is granted to
%% copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free
%% Documentation License, Version 1.1 or any later version published by the
%% Free Software Foundation; with the Invariant Sections being "Prefazione",
%% with no Front-Cover Texts, and with no Back-Cover Texts.  A copy of the
%% license is included in the section entitled "GNU Free Documentation
%% License".
%%

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

Uno dei concetti fondamentali dell'architettura di un sistema 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 dei normali
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 \index{file!di~dispositivo} file di dispositivo (i cosiddetti
\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 una descrizione dell'architettura dei file in
Linux, iniziando da una panoramica sulle caratteristiche principali delle
interfacce con cui i processi accedono ai file (che tratteremo in dettaglio
nei capitoli seguenti), per poi passare ad una descrizione più dettagliata
delle modalità con cui detto accesso viene realizzato dal sistema.



\section{L'architettura generale}
\label{sec:file_access_arch}

Per poter accedere ai file, il kernel deve mettere a disposizione dei
programmi le opportune interfacce che consentano di leggerne il contenuto; il
sistema cioè deve provvedere ad organizzare e rendere accessibile in maniera
opportuna l'informazione tenuta sullo spazio grezzo disponibile sui dischi.
Questo viene fatto strutturando l'informazione sul disco attraverso quello che
si chiama un \textit{filesystem} (vedi sez.~\ref{sec:file_arch_func}), essa
poi viene resa disponibile ai processi attraverso quello che viene chiamato il
\textsl{montaggio} del \textit{filesystem}.

In questa sezione faremo una panoramica generica su come il sistema presenta
i file ai processi, trattando l'organizzazione di file e directory, i tipi di
file ed introducendo le interfacce disponibili e le loro caratteristiche.


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

\itindbeg{pathname}
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 (quella che
viene chiamata \textit{root directory}) viene montata all'avvio.  Un file
viene identificato dall'utente usando quello che viene chiamato
\textit{pathname}\footnote{il manuale della \acr{glibc} depreca questa
  nomenclatura, che genererebbe confusione poiché \textit{path} indica anche
  un insieme di directory su cui effettuare una ricerca (come quello in cui si
  cercano i comandi). Al suo posto viene proposto l'uso di \textit{filename} e
  di componente per il nome del file all'interno della directory. Non
  seguiremo questa scelta dato che l'uso della parola \textit{pathname} è
  ormai così comune che mantenerne l'uso è senz'altro più chiaro
  dell'alternativa proposta.}, cioè il percorso che si deve fare per accedere
al file a partire dalla \textit{root directory}, che è composto da una serie
di nomi separati da una ``\file{/}''.

All'avvio del sistema, completata la fase di inizializzazione, il kernel
riceve dal bootloader 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 filesystem
che possono essere su altri dispositivi dovranno poi essere inseriti
nell'albero montandoli su opportune directory del filesystem montato come
radice.

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 dei file.

Una directory, come vedremo in maggior dettaglio in
sez.~\ref{sec:file_vfs_work}, è anch'essa un file, solo che è un file
particolare che il kernel riconosce come tale. Il suo scopo è quello di
contenere una lista di nomi di file e le informazioni che associano ciascun
nome al contenuto. Dato che questi nomi possono corrispondere ad un qualunque
oggetto del filesystem, compresa un'altra directory, si ottiene naturalmente
un'organizzazione ad albero inserendo nomi di directory in altre directory.

Un file può essere indicato rispetto alla directory corrente semplicemente
specificandone il nome\footnote{il manuale delle \acr{glibc} chiama i nomi
  contenuti nelle directory \textsl{componenti} (in inglese \textit{file name
    components}), noi li chiameremo più semplicemente \textsl{nomi} o
  \textsl{voci}.}  da essa contenuto.  All'interno dello stesso albero si
potranno poi inserire anche tutti gli altri oggetti visti attraverso
l'interfaccia che manipola i file come le fifo, i link, i socket e gli stessi
\index{file!di~dispositivo} file di dispositivo (questi ultimi, per
convenzione, sono inseriti nella directory \file{/dev}).

Il nome completo di un file viene chiamato \textit{pathname} ed il
procedimento con cui si individua il file a cui esso fa riferimento è chiamato
risoluzione del nome (\textit{filename resolution} o \textit{pathname
  resolution}).  La risoluzione viene fatta esaminando il \textit{pathname} da
sinistra a destra e localizzando ogni nome nella directory indicata dal nome
precedente usando il carattere ``\texttt{/}'' come separatore\footnote{nel
  caso di nome vuoto, il costrutto \file{//} viene considerato equivalente a
  \file{/}.}: ovviamente, perché il procedimento funzioni, occorre che i nomi
indicati come directory esistano e siano effettivamente directory, inoltre i
permessi (si veda sez.~\ref{sec:file_access_control}) devono consentire
l'accesso all'intero \textit{pathname}.

Se il \textit{pathname} comincia con il carattere ``\texttt{/}'' la ricerca
parte dalla directory radice del processo; questa, a meno di un \func{chroot}
(su cui torneremo in sez.~\ref{sec:file_chroot}) è la stessa per tutti i
processi ed equivale alla directory radice dell'albero dei file: in questo
caso si parla di un \textsl{pathname assoluto} \itindsub{pathname}{assoluto}.
Altrimenti la ricerca parte dalla directory corrente (su cui torneremo in
sez.~\ref{sec:file_work_dir}) ed il pathname è detto
\itindsub{pathname}{relativo} \textsl{pathname 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} (o \textit{parent directory})
cioè la directory che contiene il riferimento alla directory corrente; nel
caso la directory corrente coincida con la directory radice, allora il
riferimento è a se stessa.  

\itindend{pathname}


\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
sez.~\ref{sec:file_vfs_work}) e sono presenti in tutti i filesystem unix-like
utilizzabili con Linux. L'elenco dei vari tipi di file definiti dal
\itindex{Virtual~File~System} \textit{Virtual File System} è riportato in
tab.~\ref{tab:file_file_types}.

Si tenga ben presente che questa classificazione non ha nulla a che fare con
la classificazione dei file (che in questo caso sono sempre file di dati) in
base al loro contenuto, o tipo di accesso. Essa riguarda invece il tipo di
oggetti; in particolare è da notare la presenza dei cosiddetti file speciali.
Alcuni di essi, come le \textit{fifo} (che tratteremo in
sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}) ed i \textit{socket} (che tratteremo in
cap.~\ref{cha:socket_intro}) non sono altro che dei riferimenti per utilizzare
delle funzionalità di comunicazione fornite dal kernel. Gli altri sono i
\index{file!di~dispositivo} \textsl{file di dispositivo} (o \textit{device
  file}) che costituiscono una interfaccia diretta per leggere e scrivere sui
dispositivi fisici; essi vengono suddivisi in due grandi categorie, \textsl{a
  blocchi} e \textsl{a caratteri} a seconda delle modalità in cui il
dispositivo sottostante effettua le operazioni di I/O.\footnote{in sostanza i
  dispositivi a blocchi (ad esempio i dischi) corrispondono a periferiche per
  le quali è richiesto che l'I/O venga effettuato per blocchi di dati di
  dimensioni fissate (ad esempio le dimensioni di un settore), mentre nei
  dispositivi a caratteri l'I/O viene effettuato senza nessuna particolare
  struttura.}

\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 regolare} &
      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
      \index{inode} \textit{inode} (vedi sez.~\ref{sec:file_vfs}).\\
      \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 a caratteri.\\
      \textit{block device} & \textsl{dispositivo a blocchi} &
      Un file che identifica una periferica ad accesso a blocchi.\\
      \textit{fifo} & ``\textsl{coda}'' &
      Un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
      unidirezionale (vedi sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}).\\
      \textit{socket} & ``\textsl{presa}''&
      Un file speciale che identifica una linea di comunicazione software
      bidirezionale (vedi cap.~\ref{cha:socket_intro}).\\
    \hline
    \end{tabular}
    \caption{Tipologia dei file definiti nel VFS}
    \label{tab:file_file_types}
\end{table}

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 ``\textsl{accesso diretto}'' come nel caso del
VMS.\footnote{questo vale anche per i dispositivi a blocchi: la strutturazione
  dell'I/O in blocchi di dimensione fissa avviene solo all'interno del kernel,
  ed è completamente trasparente all'utente. Inoltre talvolta si parla di
  \textsl{accesso diretto} riferendosi alla capacità, che non ha niente a che
  fare con tutto ciò, di effettuare, attraverso degli appositi
  \index{file!di~dispositivo} file di dispositivo, operazioni di I/O
  direttamente sui dischi senza passare attraverso un filesystem, il
  cosiddetto \textit{raw access}, introdotto coi kernel della serie 2.4.x ed
  in sostanziale disuso.}

Una seconda differenza è nel formato dei file di testo: in Unix la fine riga è
codificata in maniera diversa da Windows o dal vecchio MacOS, in particolare
il fine riga è il carattere \texttt{LF} (o \verb|\n|) al posto del \texttt{CR}
(\verb|\r|) del vecchio MacOS e del \texttt{CR LF} di Windows.\footnote{per
  questo esistono in Linux dei programmi come \cmd{unix2dos} e \cmd{dos2unix}
  che effettuano una conversione fra questi due formati di testo.} Questo può
causare alcuni problemi qualora nei programmi si facciano assunzioni sul
terminatore della riga.

Si ricordi infine che un kernel Unix non fornisce nessun supporto per la
tipizzazione dei file di dati e che non c'è nessun supporto del sistema per le
estensioni come parte del filesystem.\footnote{non è così ad esempio nel
  filesystem HFS dei Mac, che supporta delle risorse associate ad ogni file,
  che specificano fra l'altro il contenuto ed il programma da usare per
  leggerlo. In realtà per alcuni filesystem esiste la possibilità di
  associare delle risorse ai file con gli \textit{extended attributes} (vedi
  sez.~\ref{sec:file_xattr}), ma è una caratteristica tutt'ora poco
  utilizzata, dato che non corrisponde al modello classico dei file in un
  sistema Unix.} Ciò nonostante molti programmi adottano delle convenzioni per
i nomi dei file, ad esempio il codice C normalmente si mette in file con
l'estensione \file{.c}; un'altra tecnica molto usata è quella di utilizzare i
primi 4 byte del file per memorizzare un \textit{magic number} che classifichi
il contenuto; entrambe queste tecniche, per quanto usate ed accettate in
maniera diffusa, restano solo delle convenzioni il cui rispetto è demandato
alle applicazioni stesse.


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

In Linux 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
\textsl{glibc} chiama interfaccia dei descrittori di file (o \textit{file
  descriptor}).  È un'interfaccia specifica dei sistemi unix-like e fornisce
un accesso non bufferizzato; la tratteremo in dettaglio in
cap.~\ref{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 \index{file!descriptor} \textit{file descriptor} sono
rappresentati da numeri interi (cioè semplici variabili di tipo \ctyp{int}).
L'interfaccia è definita nell'header \file{unistd.h}.

La seconda interfaccia è quella che il manuale della \acr{glibc} chiama degli
\index{file!stream} \textit{stream}.\footnote{in realtà una interfaccia con lo
  stesso nome è stata introdotta a livello di kernel negli Unix derivati da
  \textit{System V}, come strato di astrazione per file e socket; in Linux
  questa interfaccia, che comunque ha avuto poco successo, non esiste, per cui
  facendo riferimento agli \index{file!stream} \textit{stream} useremo il
  significato adottato dal manuale delle \acr{glibc}.} Essa fornisce funzioni
più evolute e un accesso bufferizzato (controllato dalla implementazione fatta
dalle \acr{glibc}), la tratteremo in dettaglio nel
cap.~\ref{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 \index{file!stream} \textit{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 \ctyp{FILE *}.  L'interfaccia è definita
nell'header \file{stdio.h}.

Entrambe le interfacce possono essere usate per l'accesso ai file come agli
altri oggetti del VFS (fifo, socket, dispositivi, sui quali torneremo in
dettaglio a tempo opportuno), ma per poter accedere alle operazioni di
controllo (descritte in sez.~\ref{sec:file_fcntl} e sez.~\ref{sec:file_ioctl})
su un qualunque tipo di oggetto del VFS occorre usare l'interfaccia standard
di Unix con i \textit{file descriptor}. Allo stesso modo devono essere usati i
\index{file!descriptor} \textit{file descriptor} se si vuole ricorrere a
modalità speciali di I/O come il \index{file!locking} \textit{file locking} o
l'I/O non-bloccante (vedi cap.~\ref{cha:file_advanced}).

Gli \textit{stream} forniscono un'interfaccia di alto livello costruita sopra
quella dei \textit{file descriptor}, che permette di poter scegliere tra
diversi stili di bufferizzazione.  Il maggior vantaggio degli \textit{stream}
è che l'interfaccia per le operazioni di input/output è enormemente più ricca
di quella dei \textit{file descriptor}, che forniscono solo funzioni
elementari per la lettura/scrittura diretta di blocchi di byte.  In
particolare gli \index{file!stream} \textit{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 \textit{file descriptor} da
uno stream ed eseguirvi operazioni di basso livello, o associare in un secondo
tempo uno \index{file!stream} \textit{stream} ad un \index{file!descriptor}
\textit{file descriptor}.

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



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

In questa sezione esamineremo come viene implementato l'accesso ai file in
Linux, come il kernel può gestire diversi tipi di filesystem, descrivendo
prima le caratteristiche generali di un filesystem di un sistema unix-like,
per poi trattare in maniera un po' più dettagliata il filesystem più usato con
Linux, l'\acr{ext2} (e derivati).


\subsection{Il \textit{Virtual File System} di Linux}
\label{sec:file_vfs}

% articolo interessante:
% http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-virtual-filesystem-switch/index.html?ca=dgr-lnxw97Linux-VFSdth-LXdW&S_TACT=105AGX59&S_CMP=GRlnxw97

\itindbeg{Virtual~File~System}

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 uno
strato intermedio che il kernel usa per accedere ai più svariati filesystem
mantenendo la stessa interfaccia per i programmi in user space. Esso fornisce
un livello di indirezione che permette di collegare le operazioni di
manipolazione sui file alle operazioni di I/O, e gestisce l'organizzazione di
queste ultime nei vari modi in cui i diversi filesystem le 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 alle
opportune funzioni 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
fig.~\ref{fig:file_VFS_scheme}.

\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: \textit{filesystem},
\index{inode} \textit{inode} e \textit{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
\code{register\_filesystem} passandole un'apposita struttura
\code{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 sez.~\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 funzioni 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 \textit{filesystem descriptor} per accedere
alle funzioni 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
\index{inode} 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 \textit{Virtual File System}}
\label{sec:file_vfs_work}

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

Una singola \textit{dentry} contiene in genere il puntatore ad un
\index{inode} \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
\index{file!di~dispositivo} dispositivo, o una qualsiasi altra cosa che possa
essere rappresentata dal VFS (i tipi di file riportati in
tab.~\ref{tab:file_file_types}). A ciascuno di essi è associata pure una
struttura che sta in memoria, e che, oltre alle informazioni sullo specifico
file, contiene anche il riferimento alle funzioni (i \textsl{metodi} del VFS)
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 \index{inode} \textit{inode} invece
stanno su disco e vengono copiati in memoria quando serve, ed ogni cambiamento
viene copiato all'indietro sul disco (aggiornando i cosiddetti
\textsl{metadati} del file), gli \index{inode} inode che stanno in memoria
sono \index{inode} 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
\itindex{pathname} \textit{pathname} il VFS deve creare una nuova
\textit{dentry} e caricare \index{inode} l'inode corrispondente in memoria.

Questo procedimento viene eseguito dal metodo \code{lookup()} \index{inode}
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 \textit{dentry} (ed il relativo
\textit{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
\index{inode} dell'inode e passarli in user space.

L'apertura di un file richiede comunque un'altra operazione, l'allocazione di
una struttura di tipo \struct{file} in cui viene inserito un puntatore alla
\textit{dentry} e una struttura \struct{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 sez.~\ref{sec:file_fd}). Un elenco delle
operazioni previste dal kernel è riportato in
tab.~\ref{tab:file_file_operations}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Funzione} & \textbf{Operazione} \\
    \hline
    \hline
    \textsl{\code{open}}   & Apre il file (vedi sez.~\ref{sec:file_open}).\\
    \textsl{\code{read}}   & Legge dal file (vedi sez.~\ref{sec:file_read}).\\
    \textsl{\code{write}}  & Scrive sul file (vedi 
                             sez.~\ref{sec:file_write}).\\
    \textsl{\code{llseek}} & Sposta la posizione corrente sul file (vedi
                             sez.~\ref{sec:file_lseek}).\\
    \textsl{\code{ioctl}}  & Accede alle operazioni di controllo 
                             (vedi sez.~\ref{sec:file_ioctl}).\\
    \textsl{\code{readdir}}& Legge il contenuto di una directory (vedi 
                             sez.~\ref{sec:file_dir_read}).\\
    \textsl{\code{poll}}   & Usata nell'I/O multiplexing (vedi
                             sez.~\ref{sec:file_multiplexing}).\\
    \textsl{\code{mmap}}   & Mappa il file in memoria (vedi 
                             sez.~\ref{sec:file_memory_map}).\\
    \textsl{\code{release}}& Chiamata quando l'ultimo riferimento a un file 
                             aperto è chiuso.\\
    \textsl{\code{fsync}}  & Sincronizza il contenuto del file (vedi
                             sez.~\ref{sec:file_sync}).\\
    \textsl{\code{fasync}} & Abilita l'I/O asincrono (vedi
                             sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}) sul 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 possibili una serie di operazioni
(non è detto che tutte siano disponibili), che costituiscono l'interfaccia
astratta del VFS.  Qualora se ne voglia eseguire una, il kernel andrà ad
utilizzare l'opportuna funzione dichiarata in \struct{f\_ops} appropriata al
tipo di file in questione.

Pertanto è possibile scrivere allo stesso modo sulla porta seriale come su un
normale file di dati; ovviamente certe operazioni (nel caso della seriale ad
esempio la \code{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.
\itindend{Virtual~File~System}


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

Come già accennato in sez.~\ref{sec:file_organization} Linux (ed ogni sistema
unix-like) 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 per il momento non entreremo nei dettagli di un
filesystem specifico, ma daremo una descrizione a grandi linee che si adatta
alle caratteristiche comuni di qualunque filesystem di sistema unix-like.

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

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=14cm]{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
fig.~\ref{fig:file_filesys_detail}.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=14cm]{img/filesys_struct}
  \caption{Strutturazione dei dati all'interno di un filesystem.}
  \label{fig:file_filesys_detail}
\end{figure}

Da fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} si evidenziano alcune delle
caratteristiche di base di un filesystem, sulle quali è bene porre attenzione
visto che sono fondamentali per capire il funzionamento delle funzioni che
manipolano i file e le directory che tratteremo nel prossimo capitolo; in
particolare è opportuno ricordare sempre che:

\begin{enumerate}
  
\item L'\textit{inode} \index{inode} contiene tutte le informazioni (i
  cosiddetti \textsl{metadati}) 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 \index{inode} dell'\textit{inode} ad esso
  associato, cioè quella che da qui in poi chiameremo una \textsl{voce} (come
  traduzione dell'inglese \textit{directory entry}, che non useremo anche per
  evitare confusione con le \textit{dentry} del kernel di cui si parlava in
  sez.~\ref{sec:file_vfs}).
  
\item Come mostrato in fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} si possono avere più
  voci che puntano allo stesso \textit{inode}. Ogni \textit{inode} ha un
  contatore che contiene il numero di riferimenti che sono stati fatti ad esso
  (il cosiddetto \textit{link count}); 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 ad eliminare la relativa voce
  da una directory e decrementare il numero di riferimenti \index{inode}
  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 \index{inode} \textit{inode} 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 viene spostato fisicamente, viene semplicemente creata una
  nuova voce per \index{inode} 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}). Questa operazione non modifica
  minimamente neanche l'\textit{inode} del file dato che non si opera su
  questo ma sulla directory che lo contiene.

\item Gli \textit{inode} dei file, che contengono i \textsl{metadati} ed i
  blocchi di spazio disco, che contengono i dati, sono risorse indipendenti ed
  in genere vengono gestite come tali anche dai diversi filesystem; è pertanto
  possibile sia esaurire lo spazio disco (caso più comune) che lo spazio per
  gli \textit{inode}, nel primo caso non sarà possibile allocare ulteriore
  spazio, ma si potranno creare file (vuoti), nel secondo non si potranno
  creare nuovi file, ma si potranno estendere quelli che ci sono.

\end{enumerate}

Infine si noti che, essendo file pure loro, il numero di riferimenti esiste
anche per le directory; per cui, se a partire dalla situazione mostrata in
fig.~\ref{fig:file_filesys_detail} creiamo una nuova directory \file{img}
nella directory \file{gapil}, avremo una situazione come quella in
fig.~\ref{fig:file_dirs_link}, dove per chiarezza abbiamo aggiunto dei numeri
di \index{inode} inode.

\begin{figure}[htb]
  \centering 
  \includegraphics[width=14cm]{img/dir_links}
  \caption{Organizzazione dei \textit{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 \texttt{img}) e dalla voce ``\texttt{.}''  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 riferimenti di almeno tre, in quanto adesso sarà
referenziata anche dalla voce ``\texttt{..}'' di \texttt{img}.


\subsection{I filesystem di uso comune}
\label{sec:file_ext2}

Il filesystem standard più usato con Linux è il cosiddetto \textit{third
  extended filesystem}, identificato dalla sigla \acr{ext3}.\footnote{si fa
  riferimento al momento della stesura di questo paragrafo, l'inizio del
  2010.} Esso nasce come evoluzione del precedente \textit{second extended
  filesystem}, o \acr{ext2}, di cui eredita gran parte delle caratteristiche
di base, per questo motivo parleremo anzitutto di questo, dato che molto di
quanto diremo si applica anche ad \acr{ext3}. A partire dal kernel 2.6.XX è
stato dichiarato stabile il nuovo filsesystem \textit{ext4}, ulteriore
evoluzione di \textit{ext3} dotato di molte caratteristiche avanzate, che sta
iniziando a sostituirlo gradualmente.

Il filesystem \acr{ext2} nasce come filesystem nativo di Linux a partire dalle
prime versioni del kernel e supporta tutte le caratteristiche di un filesystem
standard Unix: è in grado di gestire nomi di file lunghi (256 caratteri,
estensibili a 1012) e supporta una dimensione massima dei file fino a 4~Tb. I
successivi filesystem \acr{ext3} ed \acr{ext4} sono evoluzioni di questo
filesystem, e sia pure con molti miglioramenti ed estensioni significative ne
mantengono in sostanza le caratteristiche fondamentali.

Oltre alle caratteristiche standard, \acr{ext2} fornisce alcune estensioni che
non sono presenti su un classico filesystem di tipo Unix; le 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 impostati 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} impostato (per una descrizione dettagliata del significato di
  questi termini si veda sez.~\ref{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 \index{inode} 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 fig.~\ref{fig:file_filesys_detail}, in cui la partizione è divisa
in gruppi di blocchi.\footnote{non si confonda questa definizione con
  quella riportata in fig.~\ref{fig:file_dirent_struct}; in quel caso si fa
  riferimento alla struttura usata in user space per riportare i dati
  contenuti in una directory generica, questa fa riferimento alla struttura
  usata dal kernel per un filesystem \acr{ext2}, definita nel file
  \texttt{ext2\_fs.h} nella directory \texttt{include/linux} dei sorgenti del
  kernel.}

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. 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 \index{inode} inode.

\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}

Le directory sono implementate come una \itindex{linked~list} \textit{linked
  list} con voci di dimensione variabile. Ciascuna voce della lista contiene
il numero di inode \index{inode}, la sua lunghezza, il nome del file e la sua
lunghezza, secondo lo schema in fig.~\ref{fig:file_ext2_dirs}; in questo modo
è possibile implementare nomi per i file anche molto lunghi (fino a 1024
caratteri) senza sprecare spazio disco.

Con l'introduzione del filesystem \textit{ext3} sono state introdotte anche
alcune modifiche strutturali, la principale di queste è quella che
\textit{ext3} è un filesystem \textit{jounrnaled}, è cioè in grado di eseguire
una registrazione delle operazioni di scrittura su un giornale (uno speciale
file interno) in modo da poter garantire il ripristino della coerenza dei dati
del filesystem\footnote{si noti bene che si è parlato di dati \textsl{del}
  filesystem, non di dati \textsl{nel} filesystem, quello di cui viene
  garantito un veloce ripristino è relativo ai dati della struttura interna
  del filesystem, non di eventuali dati contenuti nei file che potrebbero
  essere stati persi.} in brevissimo tempo in caso di interruzione improvvisa
della corrente o di crollo del sistema che abbia causato una interruzione
della scrittura dei dati sul disco.

Oltre a questo \textit{ext3} introduce ulteriori modifiche volte a migliorare
sia le prestazioni che la semplicità di gestione del filesystem, in
particolare per le directory si è passato all'uso di alberi binari con
indicizzazione tramite hash al posto delle \textit{linked list}, ottenendo un
forte guadagno di prestazioni in caso di directory contenenti un gran numero
di file. 

% TODO portare a ext3, ext4 e btrfs ed illustrare le problematiche che si
% possono incontrare (in particolare quelle relative alla perdita di contenuti
% in caso di crash del sistema)


% LocalWords:  everything is device kernel filesystem sez pathname root glibc
% LocalWords:  path filename bootloader proc name components fifo socket dev LF
% LocalWords:  resolution chroot parent Virtual System like tab cap l'I regular
% LocalWords:  inode symbolic char block VFS VMS Windows dell'I raw access Mac
% LocalWords:  CR dos HFS l'XFS SGI magic number descriptor system call int ext
% LocalWords:  nell'header unistd stream dall'ANSI stdio locking POSIX fig type
% LocalWords:  register superblock dell'inode stat entry cache dcache dentry ln
% LocalWords:  l'inode lookup ops read write llseek ioctl readdir poll nell'I
% LocalWords:  multiplexing mmap fsync fasync seek group dall' dell' img
% LocalWords:  count unlink nell' rename gapil second Tb attributes BSD SVr gid
% LocalWords:  sgid append only log fs linux extented linked list third MacOS


%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: 
