Sistemas de ficheros virtual Introducci

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Sistemas de ficheros virtualIntroducción
David Borrego Viñas Borja Navarro Paradinas
2
Introducción

• Función del sistema de ficheros
• Mantener los ficheros en estructura de árbol
• Los nodos hojas son los ficheros y el resto
• de nodos son los directorios
• La información de los nodos se guarda en las
  estructuras inode
• La estructura del sistema de ficheros en la
  estructura de superbloque

3
Introducción
4
Introducción

• En 1993 Remy Card diseña el sistema de ficheros
  ext
• Mediante una capa de software VFS trabaja con
  sistemas de ficheros reales ISO9660,vfat
• VFS tiene
• un conjunto de estructuras en memoria principal
• un conjunto de funciones para manejarlas
• Para cada uno de los sistemas de ficheros reales
• una serie de estructuras en disco
• su conjunto particular de funciones para
  manejarlas.

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Introducción

• Para poder trabajar con sistemas de ficheros
  reales deben montarse (insertarse en el árbol en
  /mnt)
• El sistema de ficheros trata los dispositivos
  como secuencias de bloques, el manejador del
  dispositivo será el encargado de traducir las
  peticiones de bloques en cabeza, cilindro, pista,
  etc
• El VFS oculta las características de los sistemas
  reales
• Mantiene unas estructuras en memoria RAM y unos
  procedimientos para trabajar con estos

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Estructura file_system_type

• Al arrancar el PC se inicializa cada sistema de
  ficheros y se registra mediante la función
  register_file_system en una lista de
  estructuras de tipo file_system_type, apuntadas
  por la variable file_system

• Podemos ver los sistemas de ficheros registrados
  en el sistema leyendo el fichero
  /proc/filesystems.

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Estructrura file_system_type

• struct file_system_type
• / nombre del sistema de ficheros real ( ext2,
  minix, msdos) /
• const char name
• / flags para indicar si el sistema de ficheros
  precisa un dispositivo
• de bloques para soportarlo /
• int fs_flags
• / función particular de cada sistema de fichero
  real que lee
• su superbloque en disco y escribe en el
  superbloque del VFS /
• struct super_block (read_super) (struct
  super_block , void , int)
• struct module owner
• / para kernel mount, si es un sistema de
  ficheros FS_SINGLE /
• struct vfsmount kern_mnt
• struct file_system_type next

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Montaje sistema de ficheros real

• Si ejecutamos la siguiente instrucción
• mount t sist_fich dispositivo puntomontaje
• El VFS busca en la lista file_system_type si el
  sist_fich está soportado.
• Busca el inode del puntomontaje.
• Se llama al procedimiento read_super particular
  al sistema de ficheros para leer el superbloque
  almacenado en dispositivo y demás información
  para crear el superbloque del VFS en el vector
  super_blocks (super bloques montados)

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Montaje sistema de ficheros real

• Cada sistema de ficheros montado se describe por
  la estructura vfsmount que forman una lista
  apuntada por la variable vfsmntlist, en
  include/linux/mount.h

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Montaje sistema de ficheros real

• struct vfsmount
• struct list_head mnt_hash
• struct vfsmount mnt_parent
• / entrada al directorio cache que indica el
  inodo del punto de montaje o directorio de
  montaje/
• struct dentry mnt_mountpoint
• / entrada al directorio cache que indica el
  inodo del directorio raiz del sistema de archivos
  /
• struct dentry mnt_root / root del arbol
  montado /
• / otros vsmonunts del mismo sistema de ficheros
  /
• struct list_head mnt_instances
• struct super_block mnt_sb / puntero al
  superblock /
• struct list_head mnt_mounts / lista de hijos,
  anclados aquí /
• struct list_head mnt_child/ y recorriendo a
  traves de su mnt_child /
• atomic_t mnt_count
• int mnt_flags / condiciones de montaje /
• / nombre del dispositivo de bloques que contiene
  el sistema de ficheros montado(/dev/cdrom)
• char mnt_devname
• / lista de estructuras vfsmount (next) /
• struct list_head mnt_list
• uid_t mnt_owner

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Montaje sistema de ficheros real

• Para desmontar un sistema de ficheros umount no
  se debe estar usando ninguno de sus ficheros.
• Si el campo dirty del superbloque está activado,
  se debe actualizar el superbloque de disco y
  liberar la estructura super_block de memoria y la
  estructura vfsmount.
• Existen varias funciones que trabajan con esta
  estructura vfsmount
• lookup_vfsmnt busca un sistemas de archivos en
  la lista.
• add_vfsmnt añade un sistema de ficheros montado
  en la lista
• remove_vfsmnt quita de la lista un sistema de
  ficheros que se desmonta

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Superbloque
Al montar los sistemas de ficheros reales se
representan en la tabla super_blocks struct
super_block / lista doblemente
enlazada de todos los superbloques activos /
struct list_head s_list / para
sistemas de ficheros que requieren un bloque
(dispositivo físico) para ser
montado en él. Se trata de un identificador de
dicho dispositivo (ejem. 0x301 para el

disco IDE /dev/hda1) / kdev_t s_dev
/ tamaño del bloque en bytes, (1024 bytes)
/ unsigned long s_blocksize /
tamaño del bloque en bytes expresado en potencia
de 2 / unsigned char s_blocksize_bits
/ indica si el superbloque ha sido modificado y
debe escribirse en disco / unsigned
char s_dirt / tamaño maximo del
fichero / unsigned long long s_maxbytes
/ puntero a la estructura file_system_type
que indica el tipo de sistema de fichero
/ struct file_system_type s_type /
puntero a la estructura que contiene las
funciones especificas de este
sistema de fichero real usadas para leer inodos y
superbloque / struct super_operations s_op
/ puntero a las funciones relacionadas
con la cuota de disco / struct
dquot_operations dq_op
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Superbloque
/ opciones para el montaje
/ unsigned long s_flags / número
que identifica a este sistema de ficheros y que
servirá para que Linux pueda
reconocer dicho file system en cualquier
partición / unsigned long s_magic /
puntero a la entrada de directorio donde esta el
inodo raiz del sistema de ficheros
montado / struct dentry s_root /
semáforo para bloquear el descriptor / struct
rw_semaphore s_umount / indica cuando
un superbloque está actualmente bloqueado por
lock_super()/unlock_super() / struct
semaphore s_lock / lista de todos
los inodos del superbloque que han sido
modificados / struct list_head s_dirty
/ lista con los inodos que tienen que
escribirse en disco / struct list_head s_locked
_inodes / lista de todos los ficheros
abiertos en este superbloque / struct
list_head s_files / puntero a la
estructura que contiene las características del
dispositivo que contiene el sistema
de ficheros / struct block_device s_bdev
/ lista de estructuras vfsmount(s) de
sistemas de archivos montados
pertenecientes a este superbloque / struct
list_head s_mounts / opciones de
cuota de disco / struct quota_info s_dquot
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Estructura inode

• Todo fichero o directorio accedido es
  representado en el VFS con un struct inode.
• Cada inode se llena mediante funciones
  especificas del sistema real.
• Para un acceso más rápido se estructuran en
  listas en el inode caché.
• Todos los inode se combinan en una lista global,
  además mediante una tabla de hash se acceden a
  lista con igual valor de hash.
• Cuando se necesita un inodo y no está en caché,
  se busca en disco y se almacena en la caché,
  usando un count, para extraer un inodo de la
  caché.
• El valor de hash se obtiene con el número de
  dispositivo y el de inode

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Estructura inode

• Cuando se extrae un inodo modificado (dirty1) se
  debe escribir en disco.
• Las funciones sobre un inode son especificas de
  cada sistema de fichero inode_operations

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Estructura inode

• struct inode
• struct list_head i_hash / lista de hash /
• struct list_head i_list / lista global de
  inodos/
• struct list_head i_dentry / lista de inodos
  en la cache directorio /
• / lista de inodos que han sido modificado y
  precisan escribirse
• en disco /
• struct list_head i_dirty_buffers
• unsigned long i_ino / número del inode,
  es único /
• / número de veces que se ha abierto este
  inodo, si esta a cero
• este inodo se puede quitar de memoria /
• atomic_t i_count / número de usos del inodo
  /
• / identificador del dispositivo que
  contiene el sistema de ficheros /
• kdev_t i_dev
• umode_t i_mode / tipo y derechos de acceso a
  este inodo /
• nlink_t i_nlink / número de enlaces a este
  inodo/
• uid_t i_uid / identificador del
  propietario/
• gid_t i_gid / identificador de grupo del
  propietario /
• kdev_t i_rdev / identificador de archivo
  especial /
• loff_t i_size / tamaño del fichero en bytes
  /

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Estructura inode

• / tamaño del bloque para este fichero en bytes
  (1024) /
• unsigned long i_blksize
• / número de bloques asignado a este
  fichero /
• unsigned long i_blocks
• / numero de versión, se incrementa con
  cada nuevo uso /
• unsigned long i_version
• unsigned short i_bytes
• /semaforo para los accesos concurrentes al
  inodo /
• struct semaphore i_sem
• struct rw_semaphore i_truncate_sem
• struct semaphore i_zombie
• / puntero a funciones que operan con el
  inodo especificas del sistema de ficheros real
  (define las operaciones que se pueden realizar
  con cada inodo )/
• struct inode_operations i_op
• / puntero a funciones que operan con la
  estructura file /
• struct file_operations i_fop / former
  -gti_op-gtdefault_file_ops /
• / puntero a la estructura super_block de
  este sistema de ficheros /
• struct super_block i_sb
• / variable utilizada para sincronizar los
  accesos concurrentes a este inode /
• wait_queue_head_t i_wait

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Estructura inode

• / puntero a las áreas y páginas de memoria de
  este inode /
• struct address_space i_mapping
• struct address_space i_data
• / cuotas del disco asociadas con este
  inodo /
• struct dquot i_dquotMAXQUOTAS
• / puntero a la estructura pipe si el inodo
  representa un pipe /
• struct pipe_inode_info i_pipe
• / puntero a la estructura block_device si
  el inodo representa
• un dispositivo de modo bloque /
• struct block_device i_bdev
• / puntero a la estructura char_device si
  el inodo representa
• un dispositivo de modo carácter /
• struct char_device i_cdev
• / mascara para notificación de eventos a
  directorios /
• unsigned long i_dnotify_mask
• struct dnotify_struct i_dnotify / para
  notificaciones a directorios /
• unsigned long i_state
• / opciones de montaje del sistema de
  ficheros que contiene el inodo /
• unsigned int i_flags

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Estructura inode

• / número de aperturas para escritura de este
  nodo /
• atomic_t i_writecount
• unsigned int i_attr_flags
• __u32 i_generation
• / información especifica de cada sistema
  de ficheros /
• union
• struct minix_inode_info minix_i
• struct ext2_inode_info ext2_i
• struct ext3_inode_info ext3_i
• struct hpfs_inode_info hpfs_i
• struct ntfs_inode_info ntfs_i
• struct msdos_inode_info msdos_i
• .
• struct jffs2_inode_info jffs2_i
• / campo para guardar la
  dirección de datos privados /
• void generic_ip
• u

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Estructura inode (operaciones)

• struct inode_operations
• / crea una entrada en el directorio cache
  /
• int (create) (struct inode ,struct dentry
  ,int)
• / busca en el directorio un inode /
• struct dentry (lookup) (struct inode ,struct
  dentry )
• / crea un enlace a un inodo /
• int (link) (struct dentry ,struct inode
  ,struct dentry )
• / borra un enlace a un inodo /
• int (unlink) (struct inode ,struct dentry )
• / crea un enlace simbólico al inodo /
• int (symlink) (struct inode ,struct dentry
  ,const char )
• / crea un directorio /
• int (mkdir) (struct inode ,struct
  dentry ,int)
• / borra un directorio /
• int (rmdir) (struct inode ,struct dentry )
• / crea un archivo especial /
• int (mknod) (struct inode ,struct dentry
  ,int,int)
• / cambia el nombre de un fichero o
  directorio /
• int (rename) (struct inode , struct dentry
  ,struct inode ,

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Estructura inode(operaciones)

• / lee el contenido de un enlace simbólico /
• int (readlink) (struct dentry , char
  ,int)
• / resuelve un enlace simbólico /
• int (follow_link) (struct dentry , struct
  nameidata )
• / modifica el tamaño de un fichero /
• void (truncate) (struct inode )
• / comprueba los permisos para acceder al
  fichero /
• int (permission) (struct inode , int)
• / detecta las nuevas caracteríaticas del
  dispositivo removible /
• int(revalidate) (struct dentry )
• int (setattr) (struct dentry , struct iattr
  )
• int (getattr) (struct dentry , struct iattr
  )

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Estructura address_space

• Estructura que contiene las VMA y las páginas de
  este inodo.
• struct address_space
• struct list_head clean_pages / lista de
  páginas clean /
• struct list_head dirty_pages / lista de
  páginas modificadas/
• struct list_head locked_pages / lista de
  páginas bloqueadas/
• unsigned long nrpages / número total de
  páginas/
• spinlock_t page_lock / bloqueo de páginas en
  memoria /
• / punteros a funciones que operan con el
  espacio de direcciones /
• struct address_space_operations a_ops
• struct inode host / inode del dispositvo de
  bloques /
• / lista de direcciones de memoria
  privadas/
• struct vm_area_struct i_mmap
• / lista de direcciones de memoria
  compartidas/
• struct vm_area_struct i_mmap_shared
• spinlock_t i_shared_lock / bloqueo para
  protección /
• int gfp_mask / como asignar las páginas /

23
Tabla de montajes
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Caché de directorios

• Para mayor eficiencia en la búsqueda de un
  directorio o fichero se usan dos tablas de cache,
  con las entradas de directorio más usadas y sus
  inodos.
• Se estructuran como una tabla de hash con varias
  listas, donde cada entrada apunta a una lista con
  el mismo valor de hash.
• La función de hash usa el identificador de
  dispositivo y el nombre del directorio.
  (fs/dcache.c)

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Buffer caché

• Para minimizar accesos a disco se implementa un
  conjunto de buffer que actúan como interfaz entre
  usuario y dispositivo.
• Las lecturas y escrituras se realizan sobre el
  buffer y el sistema escribe o lee del buffer en
  el bloque de disco.
• Compartido por todos los sistemas de ficheros
  reales montados, puesto que es independiente de
  las características físicas de cada sistema

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Buffer caché

• Contiene uno o varios bloques referenciados por
  el número de bloque y de dispositivo.
• Existen varias listas según el estado de los
  bloques
• Dirty,Shared, clean.

27
Estructura file

• Es creada por el VFS al abrir un fichero, y se
  encadenan en una lista de estructuras file
  apuntadas por first_file.
• Definida en include/linux/fs.h.

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Estructura file

• struct file
• struct list_head f_list / lista de estructuras
  file /
• struct dentry f_dentry / puntero al inodo de
  ese fichero /
• / puntero a la estructura de ficheros
  montados /
• struct vfsmount f_vfsmnt
• / conjunto de operaciones relacionadas con
  un fichero abierto /
• struct file_operations f_op / puntero a
  file_operations /
• atomic_t f_count
• / flag relacionado con el modo de apertura
  del fichero /
• unsigned int f_flags
• / modo de apertura del fichero en la
  llamada open, conjunción
• de FMODE_READ y FMODE_WRITE /
• mode_t f_mode
• / posición actual desde el principio del
  fichero en bytes /
• loff_t f_pos

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Estructura file

• / número de bloques a leer en lectura anticipada
  /
• unsigned long f_reada,
• / número máximo de bloques a leer en
  lectura anticipada /
• 
  f_ramax,
• / posición dentro del fichero, después de
  la última pagina leída
• de forma anticipada /
• 
  f_raend,
• / número de bytes leidos en la última
  lectura anticipada /
• 
  f_ralen,
• / tamaño de la ventana para lectura
  anticipada /
• 
  f_rawin
• / estructura con información del proceso
  propietario /
• struct fown_struct f_owner
• / identificador del propietario y de su
  grupo /
• unsigned int f_uid, f_gid
• int f_error
• unsigned long f_version
• / necesario para algunos manejadores como el
  tty /
• void private_data

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Operaciones sobre ficheros

• Esta estructura tiene punteros a funciones que
  trabajan con la estructura file y son propias y
  se implementan en el sistema de ficheros real.
• struct file_operations
• struct module owner
• / modifica la posición actual del fichero
  /
• loff_t (llseek) (struct file , loff_t,
  int)
• / lectura en el fichero /
• ssize_t (read) (struct file , char ,
  size_t, loff_t )
• / escritura en el fichero /
• ssize_t (write) (struct file , const char ,
  size_t, loff_t )
• / lee entradas desde el directorio /
• int (readdir) (struct file , void ,
  filldir_t)
• unsigned int (poll) (struct file , struct
  poll_table_struct )
• / realiza operaciones de control sobre un
  dispositivo /
• int (ioctl) (struct inode , struct file ,
  unsigned int,
• 
  
  unsigned long)
• / coloca el contenido de un fichero en la
  memoria del proceso /
• int (mmap) (struct file , struct

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Operaciones sobre ficheros

• / abre un fichero /
• int (open) (struct inode , struct file )
• int (flush) (struct file )
• / se llama al efectuar el último
  cierre de un archivo /
• int (release) (struct inode , struct file
  )
• / escribe los bloques modificados del
  fichero en disco /
• int (fsync) (struct file , struct dentry ,
  int datasync)
• / activa o desactiva las entradas o
  salidas asincronas sobre el fichero /
• int (fasync) (int, struct file , int)
• int (lock) (struct file , int, struct
  file_lock )
• / lectura adelantada de varios bloques /
• ssize_t readv) (struct file , const struct
  iovec , unsigned long, loff_t )
• / escritura de varios bloques /
• ssize_t (writev) (struct file , const struct
  iovec , unsigned long, loff_t )
• ssize_t (sendpage) (struct file , struct page
  , int, size_t, loff_t , int)
• unsigned long (get_unmapped_area) (struct file
  , unsigned long,
• 
  unsigned long, unsigned long, unsigned long)

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Llamada al sistema

• Cuando un proceso hace una llamada al sistema es
  atendida por el VFS y es redirigida al sistema de
  ficheros particular de que se trate.