2. Архитектура unix

- структура UNIX

Логическая файловая система - основные каталоги и их назначение

• Использование общепринятых имен основных файлов и структуры каталогов существенно облегчает работу в операционной системе, ее администрирование и повышает переносимость. Типичная структура и назначение каталогов файловой системы UNIX представлена в таблице.

Основные каталоги логической файловой системы unix

Каталог	Назначение и содержание
/	Корневой каталог. Является основой любой файловой системы UNIX. Все остальные каталоги и файлы располагаются в рамках структуры, порожденной корневым каталогом (в нем и в его подкаталогах), независимо от их физического местонахождения. Для корневого каталога обязательно должна создаваться отдельная физическая файловая система, а сам он является точкой ее монтирования, о чем свидетельствует наличие подкаталога lost+found.
/bin	Пользовательские выполняемые программы. Сейчас обычно является символической связью, указывающей на /usr/bin.
/dev	Каталог для специальных файлов устройств. Может иметь подкаталоги для различных классов и типов устройств, например, dsk, rdsk, rmt, inet (в SVR4).
/etc	Каталог для конфигурационных файлов. Может иметь подкаталоги для различных компонентов и служб. Конфигурационные файлы в UNIX - обычные текстовые.
/home	Каталог для размещения начальных каталогов пользователей. Часто является точкой монтирования отдельной физической файловой системы.
/lib	Каталог для библиотек. Сейчас обычно является символической связью, указывающей на /usr/lib.
/lost+f\ound	Подкаталог, имеющийся в каждом каталоге, являющемся точкой монтирования физической файловой системы на диске. Корневой каталог всегда представлен отдельной физической файловой системой, должен быть всегда доступен, и монтируется автоматически при запуске системы. Все остальные физические файловые системы формально не нужны для функционирования ОС UNIX.
/mnt	Точка монтирования для файловых систем на съемных носителях или дополнительных дисках. Может содержать подкаталоги для отдельных типов носителей, например, cdrom или floppy. Может быть пустым.
/opt	Каталог для дополнительного коммерческого программного обеспечения. Может быть пустым или отсутствовать (в BSD-системах).
/proc	Каталог псевдо-файловой системы, представляющей в виде каталогов и файлов информацию о ядре, памяти и процессах, работающих в системе.
/sbin	Каталог для системных выполняемых программ, необходимых для решения задач системного администрирования.
/tmp	Каталог для временных файлов. Имеет установленный клейкий бит и доступен для записи и чтения всем пользователям. Обычно создается в виде отдельной физической файловой системы, в том числе, в виртуальной памяти.
/usr	В этом каталоге находятся выполняемые программы, библиотеки, заголовочные файлы, справочные руководства (/usr/share/man), исходные тексты ядра и утилит системы (Linux), растущие файлы и очереди печати (/usr/spool в BSD-системах) и т.д. Часто каталог является точкой монтирования отдельной физической файловой системы. Ниже представлены основные его подкаталоги.
/usr/bin	Основные выполняемые программы и утилиты.
/usr/include	Заголовочные файлы библиотек. Может содержать подкаталоги.
/usr/lib	Статически и динамически компонуемые библиотеки. Может содержать подкаталоги
/usr/local	Каталог для дополнительного свободно распространяемого программного обеспечения (GNU). Содержит структуру подкаталогов, аналогичную корневому каталогу (bin, etc, include, lib и т.д.).
/var	В UNIX System V и Linux этот каталог является заменителем каталога (/usr/spool), используемого для хранения растущих файлов различных сервисных подсистем, например, файлов журналов системы. Так, основной журнал системы, ведущийся демоном syslogd, размещается в виде нескольких файлов в подкаталоге /var/adm. Там же, в файле /var/adm/messages, сохраняются сообщения времени загрузки. Имеет смысл создавать отдельную физическую файловую систему для размещения этого каталога (и, возможно, его подкаталога /var/run).

• Наличие, назначение и использование других каталогов верхнего уровня и подкаталогов зависит от версии ОС UNIX, установленного системного и прикладного программного обеспечения и конфигурации системы, созданной администратором.

Физические файловые системы UNIX - основные компоненты

• Каждый жесткий диск состоит из одной или нескольких логических частей (групп цилиндров), называемых разделами (partitions). Расположение и размер раздела определяется при форматировании диска. В ОС UNIX разделы выступают в качестве независимых устройств, доступ к которым осуществляется как к различным носителям данных. Обычно в разделе может располагаться только одна физическая файловая система.

• Имеется много типов физических файловых систем, например FAT16 и NTFS, с разной структурой. Более того, имеется множество типов физических файловых систем UNIX (ufs, s5fs, ext2, vxfs, jfs, ffs и т.д.). Ниже мы рассмотрим основные их общие особенности.

• Физическая файловая система UNIX занимает раздел диска и состоит из таких основных компонентов:

• Суперблок (superblock). Содержит общую информацию о файловой системе.

Массив индексных дескрипторов (ilist). Содержит метаданные всех файлов файловой системы. Индексный дескриптор (inode) содержит информацию о статусе файла и указывает на расположение данных этого файла. Ядро обращается к индексному дескриптору по индексу в массиве. Один дескриптор является корневым для физической файловой системы, через него обеспечивается доступ к структуре каталогов и файлов после монтирования файловой системы. Размер массива индексных дескрипторов является фиксированным и задается при создании физической файловой системы.

• Блоки хранения данных. Данные обычных файлов и каталогов хранятся в блоках. Обработка файла осуществляется через индексный дескриптор, содержащий ссылки на блоки данных.

Суперблок

• Суперблок содержит информацию, необходимую для монтирования и управления файловой системой в целом. В каждой файловой системе существует только один суперблок, который располагается в начале раздела. Суперблок считывается в память ядра при монтировании файловой системы и находиться там до ее отключения - демонтирования.

• Суперблок содержит:

-тип файловой системы;

-размер файловой системы в логических блоках, включая сам суперблок, массив индексных дескрипторов и блоки хранения данных;

-размер массива индексных дескрипторов;

-количество свободных блоков;

-количество свободных индексных дескрипторов;

-флаги;

-размер логического блока файловой системы (512, 1024, 2048, 4096, 8192).

-список номеров свободных индексных дескрипторов;

-список адресов свободных блоков.

• Поскольку количество свободных индексных дескрипторов и блоков хранения данных может быть значительным, хранение двух последних списков целиком в суперблоке непрактично. Для индексных дескрипторов храниться только часть списка. Когда число свободных дескрипторов приближается к 0, ядро просматривает список и вновь формирует список свободных дескрипторов.

• Такой подход неприемлем в отношении свободных блоков хранения данных, поскольку по содержимому блока нельзя определить, свободен он или нет. Поэтому необходимо хранить список адресов свободных блоков целиком. Список адресов свободных блоков может занимать несколько блоков хранения данных, но суперблок содержит только один блок этого списка. Первый элемент этого блока указывает на блок, хранящий продолжение списка.

• Выделение свободных блоков для размещения файла производиться с конца списка суперблока. Когда в списке остается единственный элемент, ядро интерпретирует его как указатель на блок, содержащий продолжение списка. В этом случае содержимое этого блока считывается в суперблок, и блок становится свободным. Такой подход позволяет использовать дисковое пространство под списки, пропорциональное свободному месту в файловой системе. Когда свободного места практически не остается, список адресов свободных блоков целиком помещается в суперблоке.

- ядро системы

• Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы (процессы в пользовательской части операционной системы) от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам посредством системных вызовов. Таким образом, в системе можно выделить два уровня привилегий: уровень системы (привилегии специального пользователя root) и уровень пользователя (привилегии всех остальных пользователей).

В ажной частью системных программ являются демоны. Демон — это процесс, выполняющий определенную функцию в системе, который запускается при старте системы и не связан ни с одним пользовательским терминалом. Демоны предоставляют пользователям определенные сервисы, примерами которых могут служить системный журнал, веб-сервер и т. п.. Аналогом демонов в операционной системе Windows NT и более поздних версиях являются системные службы.

• Основные части:

Файловая подсистема

Доступ к структурам ядра осуществляется через файловый интерфейс.

Управление процессами

Сюда входит управление параллельным выполнением процессов (планирование и диспетчеризация), виртуальной памятью процесса, и взаимодействием между процессами (сигналы, очереди сообщений и т. п.).

Драйверы устройств

Драйверы устройств делятся на символьные и блочные по типу внешнего устройства. Для каждого из устройств определен набор возможных операций (открытие, чтение и т. д.). Блочные устройства кэшируются с помощью специального внутреннего механизма управления буферами.

Благодаря тому, что в UNIX аппаратно-независимая часть явно отделена, это семейство операционных систем может быть с минимальными затратами перенесено на новые аппаратные платформы.

Видно, что ядро операционной системы UNIX является классическим для многозадачной многопользовательской операционной системы, поэтому оно широко используется в обучении системному программированию и теории операционных систем.