Linuxowy system plików z lotu ptaka

Używając komputera z zainstalowanym dowolnym systemem operacyjnym nie sposób jest nie korzystać z plików. Trzymamy w nich notatki, zdjęcia, filmy, programy oraz ich kod źródłowy. Jesteśmy do nich przyzwyczajeni i rzadko przychodzi nam do głowy, żeby docenić fakt jak wielkim wynalazkiem jest system plików w formie, w jakiej go dzisiaj znamy.

Krótka historia systemu plików

Od początku istnienia komputerów (a właściwie długo przed nimi) ludziom towarzyszyła potrzeba wymyślenia sposobu organizacji danych, który byłby skalowalny, szybki i łatwy w obsłudze. Na początku były to archiwa dokumentów i systemy biblioteczne, opierające się głównie na sortowaniu alfabetycznym bądź chronologicznym. Później, wraz z nadejściem komputerów i dysków o dużej pojemności pojawiły pierwsze komputerowe systemy baz danych, które ewoluują po dziś dzień, próbując nadążyć za rosnącą w niesamowitym tempie ilością danych.

W międzyczasie pojawiła się potrzeba stworzenia prostej bazy, która byłaby intuicyjna i wygodna dla przeciętnego użytkownika komputera. Ręczne przeszukiwanie tabelowych baz danych z użyciem kwerend nie wszystkim użytkownikom przypadło do gustu. Z tej potrzeby zrodził się pomysł stworzenia systemu organizacji, w którym dane podzielone byłyby na pliki rozmieszczone w drzewiastej strukturze katalogów – systemu plików, który w niemal niezmienionej formie przetrwał do dzisiaj.

Idea takiego systemu plików odcisnęła swoje szczególne piętno w architekturze systemu Linux. Można powiedzieć, że w Linuxie wszystko kręci się wokół systemu plików. Jego dobra znajomość na pewno przyda się więc każdemu zaawansowanemu użytkownikowi Linuxa. Jeśli więc chciałbyś dowiedzieć się, w jaki sposób historia systemu plików wpłynęła na dzisiejszą Linuxową rzeczywistość, to zapraszam Cię do lektury tego wpisu.

Czym wyróżnia się Linuxowy system plików?

Linuxowy system plików pod wieloma względami różni się od systemów znanych z Windowsa. Inny jest wykorzystywany standardowo format partycji – na systemie Microsoftu jest to NTFS oraz FAT32, a na Linuxie typowo ext4, xfs czy btrfs. Na tym jednak różnice się nie kończą, ponieważ odmienne jest też podejście z punktu widzenia architektury systemu, a co za tym idzie także interfejsu użytkownika.

Już na pierwszy rzut oka można zauważyć, że odmienna jest notacja zapisu ścieżek – pod Windowsem nazwy katalogów w ścieżce oddzielone są znakiem backslash’a “\”, podczas gdy pod Linuxem w tej roli występuje znak slash’a “/”.

Nieco mniej widoczna jest inna ważna różnica, która często powoduje zdziwienie podczas przesiadki między systemami – Linux rozróżnia małe i wielkie litery w nazwach plików. Mówimy więc, że jest on case-sensitive. Pod Linuxem “plik”, “Plik” oraz “PLIK” to prawidłowe nazwy trzech różnych plików, które mogą istnieć obok siebie w jednym katalogu. Pod Windowsem wszystkie te nazwy odnoszą się do tego samego pliku, ponieważ system ten nie rozróżnia wielkości liter.

Linuxa wyróżnia też fakt, że w przeciwieństwie do Windowsa nie używa on rozszerzeń do rozpoznawania typu pliku. Zamiast tego wykorzystuje on system detekcji oparty na analizie zawartości – przeszukuje nagłówek pliku pod kątem obecności metadanych oraz tzw. magic number’ów charakterystycznych dla danego typu plików. Aby samodzielnie sprawdzić typ wybranego pliku wystarczy wywołać polecenie file, podając jako argument ścieżkę do pliku, np. file Plik.

Rootfs – korzeń systemu plików

Wszyscy użytkownicy Windowsa wiedzą, że u samej podstawy drzewa katalogów znajduje się dysk oznaczony jakąś literą alfabetu – dysk C:, dysk D:, dysk E: i tak dalej. Każdy dysk (a właściwie każda partycja), posiada własny system plików mający swój korzeń w urządzeniu o określonej literze.

W przypadku Linuxa sytuacja wygląda nieco inaczej. Posiada on jeden główny system plików noszący nazwę root filesystem lub w skrócie rootfs, który znajduje się zawsze w tej samej lokalizacji – w ścieżce /. Podczas startu systemu jest pod tą ścieżką montowana partycja systemowa i to właśnie jej pliki i katalogi stanowią główną strukturę rootfs’a. Pozostałe dyski lub partycje mogą być zamontowane wewnątrz katalogów rootfs’a, rozszerzając tym samym jego strukturę. Stanowią one zawsze poddrzewa drzewa głównego, mającego swój korzeń w ścieżce /.

Jeżeli zastanawiasz się czym jest montowanie systemu plików, to już spieszę z wyjaśnieniem. Montowanie jest to operacja polegająca na “przypięciu” jakiegoś systemu plików do wybranego katalogu obecnego drzewa (rootfs’a). Od momentu montowania zawartość takiego katalogu reprezentuje pliki i katalogi znajdujące się w zamontowanym systemie plików.

Tak jak wspominałem wcześniej, partycja systemowa zawierająca system plików rootfs montowana jest zawsze na starcie systemu. Za montowanie rootfs’a odpowiedzialne jest jądro systemu lub initramfs – specjalny system plików montowany tymczasowo w ścieżce / na potrzeby przygotowywania właściwego rootfs’a. Więcej na ten temat opowiem we wpisie na temat procedury startowania systemu.

Właściciele, grupy i uprawnienia

Pod Linuxem każdy plik i katalog na swojego właściciela. Właścicielem może być dowolny użytkownik i tylko on może zarządzać uprawnieniami do danego pliku. Domyślnie właścicielem pliku jest użytkownik, który go stworzył, ale można go w dowolnym momencie zmienić przy użyciu polecenia chown – jego nazwa to skrót od angielskiego change owner. Poza właścicielem do każdego pliku przypisana jest też grupa właścicielska, której członkowie mogą mieć dodatkowe uprawnienia. Grupę przypisaną do danego pliku również można zmienić przy użyciu polecenia chgrp (change group).

Każdy plik i katalog pod Linuxem ma przypisane uprawnienia, decydujące o tym jakie operacje można na nim przeprowadzić. Istnieją trzy rodzaje uprawnień:

• Uprawnienia do odczytu (oznaczane literą r) – określają, czy dany użytkownik może czytać zawartość pliku.
• Uprawnienia do zapisu (oznaczane literą w) – określają, czy dany użytkownik może zapisać dane do pliku.
• Uprawnienia do wykonania (oznaczane literą x) – określają, czy dany użytkownik może uruchomić dany plik jako program wykonywalny lub uczynić z katalogu swój katalog roboczy, np. przechodząc do niego z użyciem komendy cd.

Każdy plik posiada trzy zestawy takich uprawnień – osobny zestaw dla właściciela, dla grupy właścicielskiej i dla pozostałych użytkowników. Uprawnienia zapisywane są w następującym formacie:

Zapis -rwxrwxrwx oznacza, że zarówno właściciel, grupa jak i pozostali użytkownicy mają wszystkie uprawnienia do pliku. Natomiast -rw-r–r– oznacza, że właściciel pliku ma prawo do odczytu i zapisu, a członkowie grupy i pozostali użytkownicy tylko do odczytu. Uprawnienia pliku może zmienić jego właściciel przy użyciu polecenia chmod.

Bardziej spostrzegawczy czytelnicy na pewno zauważyli, że w zapisie uprawnień pojawia się na początku jeszcze jeden dodatkowy znak, określający typ pliku. Dla zwykłych plików jest to –, dla katalogów d, a dla linków symbolicznych l. Istnieją jeszcze inne typy plików, ale o tych powiemy sobie w dalszej części wpisu.

Komplet informacji o właścicielach, grupach i uprawnieniach plików w danym katalogu możemy sprawdzić przy użyciu polecenia ls -l. Przykładowy wynik działania tej komendy wygląda następująco (wycinek z katalogu /etc):

Każda linia wyjścia z tego polecenia opisuje pojedynczy plik lub katalog. W poszczególnych kolumnach znajdziemy następujące informacje:

Widzimy więc, że właścicielem pliku o nazwie shadow jest użytkownik root, a przypisana do niego grupa właścicielska nazywa się shadow. Właściciel ma prawo do zapisu i odczytu, grupa tylko do odczytu, a pozostali użytkownicy nie mają do pliku żadnych uprawnień. Ponadto widzimy, że plik ma rozmiar 937 bajtów, posiada jeden link twardy (hardlink) i został ostatnio zmodyfikowany 12 maja o godzinie 8:43.

Informacje te są na ogół obiektem zainteresowania administratorów, ale przydają się też programistom oraz zwykłym użytkownikom systemu.

Wszystko jest plikiem

O ile kwestie organizacyjne i system uprawnień nie są może niczym rewolucyjnym, to Linuxowa filozofia systemów plików się na tym nie kończy. Zarządzanie danymi na dysku to tylko jedno z ich typowych zastosowań. Sporo Linuxowych systemów plików to systemy zupełnie wirtualne, niemające pod sobą żadnych trwałych danych. Za wszystko odpowiedzialna jest jedna z najważniejszych Linuxowych warstw abstrakcji – wirtualny system plików.

Wirtualny system plików (ang. virtual file system, VFS) to obsługiwany przez jądro interfejs dostarczający mechanizmy do operowania na plikach i katalogach w standardowy, jednorodny sposób. Opierają się na nim wszystkie systemy plików przechowujące dane na dysku, ale można go również użyć do tworzenia pseudo systemów plików – wirtualnych tworów, które tylko “udają” prawdziwy system plików. Linux bardzo intensywnie wykorzystuje tą możliwość, eksponując w formie systemu plików większość interfejsów między jądrem systemu a przestrzenią użytkownika. Popularne stwierdzenie, że pod Linuxem “wszystko jest plikiem”, wywodzi się właśnie z tego faktu.

Plik może reprezentować urządzenie, parametr konfiguracyjny lub dowolny inny wirtualny obiekt eksponowany przez jądro systemu. Czytanie czy pisanie do pliku wcale nie musi być związane z zapisem danych na dysku. Powoduje ono jedynie wywołanie odpowiedniej funkcji jądra, odpowiedzialnej za obsługę danej operacji na takim wirtualnym pliku. W rzeczywistości także operacje na “zwykłych” plikach powodują wywołanie odpowiednich funkcji jądra, odpowiedzialnych za dostęp do danych na dysku. Wszystko to dzieje się pod płaszczem wirtualnego systemu plików.

Systemy plików specjalnego przeznaczenia

Linux wykorzystuje wiele rodzajów czysto wirtualnych systemów plików, mających swoje specjalne przeznaczenie. Do najbardziej podstawowych należą sysfs, procfs i devtmpfs, ale na większości współczesnych dystrybucji znajdziemy też debugfs, configfs, securityfs, autofs i wiele innych. Poniżej omawiam pokrótce najważniejsze z nich.

sysfs

System ten jest zazwyczaj montowany w ścieżce /sys i zawiera informacje na temat różnych subsystemów jądra. Można w nim znaleźć między innymi informacje na temat załadowanych modułów jądra, urządzeń oraz sterowników. Poza możliwością podejrzenia obecnego stanu jądra, sysfs pozwala też na zmianę wielu parametrów konfiguracyjnych – od jasności matrycy laptopa, przez parametry kolejki urządzeń blokowych, po sterowanie pinami GPIO.

procfs

W procfs znajdziemy przede wszystkim informacje o działających aktualnie procesach, ale poza tym zawiera on też masę użytecznych informacji na temat jądra, pamięci i procesora. Zazwyczaj montowany jest w ścieżce /proc. Stan procesów podglądać możemy na bieżąco odczytując go z wirtualnych plików o nazwach odpowiadających numerom PID procesów – mamy dostęp do informacji takich jak lista argumentów i zmiennych środowiskowych przekazanych podczas tworzenia procesu, lista procesów dzieci, lista otwartych deskryptorów plików oraz aktualny stos wykonania programu.

devtmpfs

Jest to system plików zawierający pliki specjalne urządzeń. Montowany jest on w ścieżce /dev i znajdziemy tam pliki, których typ oznaczany jest literą c oraz b – są to pliki reprezentujące urządzenia znakowe (ang. character device) oraz blokowe (ang. block device). Za pośrednictwem tych plików możemy uzyskać dostęp do różnego rodzaju urządzeń obsługiwanych przez sterowniki działające w jądrze systemu – dysków twardych, urządzeń HID, portów szeregowych itd. Pliki reprezentujące dyski w devtmpfs używane są na przykład podczas operacji montowania.

debugfs

Zawiera on interfejsy debugowe jądra i montowany jest w ścieżce /sys/kernel/debug. Z debugfs’a korzystają różne subsystemy jądra w celu wyeksponowania do przestrzeni użytkownika różnego rodzaju interfejsów używanych przez programistów podczas rozwijania jądra i pomocnych w trakcie szukania błędów. W przeciwieństwie do poprzednio wymienionych, system ten jest rzadko używany podczas normalnej pracy systemu – służy on przede wszystkim programistom pracującym nad rozbudową jądra.

Podsumowanie

Na dzisiaj ode mnie tyle, ale do Linuxowego systemu plików na pewno będę jeszcze wracał w kolejnych wpisach, ponieważ jest o niego opartych wiele systemowych mechanizmów. Korzystanie z zawartości devtmpfs’a czy sysfs’a to chleb powszedni każdego Linuxowego programisty – przekonamy się o tym szczególnie próbując dobrać się do jądra systemu. Tymczasem zachęcam Cię do “pozwiedzania” systemu plików na Twoim komputerze – oswojenie się z jego zawartością na pewno przyda Ci się jako przyszłemu programiście Linuxa.

• • •

Masz jakieś przemyślenia, pytania, uwagi? Pisz śmiało komentarz pod wpisem! A jeśli nie chcesz przegapić kolejnych wpisów, to koniecznie zapisz się na mój newsletter i polub moją stronę na Facebooku. Z góry dzięki! 🙂