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-\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
- \itindex{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 \type{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},
-\itindex{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
-\itindex{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
-\itindex{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 \itindex{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 \itindex{inode} inode che stanno in memoria
-sono \itindex{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 \itindex{inode} l'inode corrispondente in memoria.
-
-Questo procedimento viene eseguito dal metodo \code{lookup()} \itindex{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
-\itindex{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
-\itindex{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} \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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 \itindex{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)
+%\chapter{L'architettura dei file}
+%\label{cha:file_intro}
+% capitolo eliminato, inglobando altrove
% LocalWords: everything is device kernel filesystem sez pathname root glibc
% LocalWords: path filename bootloader proc name components fifo socket dev LF
projects / gapil.git / blobdiff