Индексные дескрипторы и жесткие ссылки

С понятием файла в Linux связаны три сущности: данные, индексные дескрипторы и жесткие ссылки. На счет данных все понятно: в зависимости от типа файла, ядро предоставляет все необходимые механизмы для чтения, записи и хранения информации, связанной с конкретным файлом.

Индексные дескрипторы (иноды, i-nodes, индексы) - это структура данных, содержащая все метаданные файла, т.е. права доступа, даты создания, последней модификации, размер файла и т.д., а также номер, который уникален в рамках одного диска, раздела или иного носителя информации. Индексные дескрипторы не содержат в себе имя файла. В ОС Unix файлы связываются с упомянутым номером, а не с его именем. Имена файлов содержат каталоги, таким образом содержимое каталогов можно условно представить в виде списка имен файлов и номеров индексных дескрипторов. Пара, состоящая из имени файла и номера индексного дескриптора называется жесткой ссылкой, далее будем говорить просто ссылка. Иными словами, у каждого файла есть свой уникальный номер, через который осуществляется взаимодействие с данными. Чтобы посмотреть этот номер, достаточно вызвать ls с опцией -i (--inode - длинный вариант).

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ touch myfile1

$ touch myfile2

$ ls -i

6373383 myfile1 6373384 myfile2

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Нетрудно убедиться, что у любого файла в файловой системе, независимо от типа, есть индексный дескриптор.

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ ls -li /dev/null

1260 crw-rw-rw- 1 rootroot 1, 3 2010-02-09 17:08 /dev/null

$ mkfifo myfifo

$ ls -li myf

6373385 prw-r--r-- 1 df00 df00 0 2010-02-09 21:57 myf

$ mkdir mydir

$ ls -lid mydir

5898479 drwxr-xr-x 2 df00 df00 4096 2010-02-09 22:20 mydir

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Как видим, у каждого файла есть свой номер (индексный дескриптор). Каталоги–не исключение. Но обратите внимание на число, которое идет после поля прав доступа. В нашем примере у /dev/null и у myfifo оно равно единице, а у каталога mydir - 2. Это число показывает количество ссылок на данный индексный дескриптор в файловой системе. И тут мы подходим к последней сущности, связанной с файлами.

То, что мы привыкли называть файлами - это всего лишь ссылки. Естественно, нам приятнее работать с именем /dev/null, а не с дескриптором номер 252. Но самое интересное в том, что на один и тот же индексный дескриптор в файловой системе может быть сколь угодно много ссылок (в пределах разумного, естественно). Третье поле вывода ls -l как раз и показывает это количество.

При создании обычного файла, устройства, FIFO, символической ссылки или локального сокета в файловой системе появляется индексный дескриптор и одна ссылка на него. Но при создании каталога создаются сразу две ссылки. Рассмотрим пример, объясняющий такое поведение.

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ ls -lid mydir

5898479 drwxr-xr-x 2 df00 df00 4096 2010-02-09 22:20 mydir

$ ls -lia mydir

5898479 drwxr-xr-x 2 df00 df00 4096 2010-02-09 22:20.

5898448 drwxr-xr-x 3 df00 df00 4096 2010-02-09 22:20..

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Как видим, в каталоге mydir находится ссылка на тот же номер (точка), а так же ссылка на родительский каталог (две точки). Этим и объясняется наличие двух ссылок на создаваемый каталог.

Итак, мы выяснили, что файловая система в обычном понимании - это набор ссылок, причем одному дескриптору может соответствовать несколько ссылок. Теперь важно понять две вещи.

Все ссылки на один индексный дескриптор равноправны: нет ни главных, ни второстепенных.

Файл существует, пока существует хотя бы одна ссылка на индексный дескриптор. Файл считается удалённым, когда удаляется последняя ссылка на него. Ссылки на несуществующие индексные дескрипторы (осиротевшие ссылки), а также индексные дескрипторы, не имеющие хотя бы одной ссылки (осиротевшие иноды) не могут существовать в нормально работающей файловой системе. Указанные случаи "сиротства" свидетельствуют об ошибках файловой системы.

Таким образом, чтобы удалить файл, нужно удалить все ссылки. Этим и объясняется название системного вызова unlink(). После удаления последней ссылки, файловая система автоматически вычёркивает файл из своих закромов.

Ссылки можно создавать самостоятельно программой ln. Важно понимать, что символические ссылки, которые мы рассматривали в предыдущем разделе не имеют ничего общего с жесткими ссылками. Символическая ссылка - это рядовой файл со своим индексным дескриптором. Рассмотрим пример.

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ cd mydir

$ ls

$ touch file1

$ ln -s file1 mylink1

$ ln file1 mylink2

$ echo "i am here" > file1

$ ls -li

491528 -rw-r--r-- 2 df00 df00 10 2010-02-09 22:35 file1

491617 lrwxrwxrwx 1 nn nn 5 2010-02-09 22:36 mylink1 -> file1

491528 -rw-r--r-- 2 nn nn 10 2010-02-09 22:36 mylink2

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

mylink1 – это символическая ссылка; то есть особый тип файла, хранящий путь к другому файлу. Обратите внимание, что mylink1 соответствует отдельный индексный дескриптор с номером 491617. А вот file1 и mylink2 - это абсолютно равноправные ссылки на один и тот же индексный дескриптор с номером 491528. Таким образом, символическая ссылка указывает на имя, а жесткая ссылка - на индексный дескриптор. Если удалить ссылку file1, то символическая ссылка mylink1 "осиротеет". Однако это не является ошибкой файловой системы.

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ rm file1

$ ca tmylink1

cat: mylink1: No such file or directory

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Программа rm вызвала системный вызов unlink() и удалила одну из двух ссылок на индексный дескриптор с номером 491528. Однако другая ссылка (mylink2) продолжает жить и здравствовать.

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

$ ls -li

491617 lrwxrwxrwx 1 nn nn 5 2010-02-09 22:35 mylink1 -> file1

491528 -rw-r--r-- 1 nn nn 10 2010-02-09 22:36 mylink2

$ cat mylink2

i am here

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

В выводе ls мы видим, что на индексный дескриптор 491528 осталась одна ссылка. Удалив её, мы уничтожим файл окончательно и освободим номер индексного дескриптора.

С точки зрения ядра обычный файл и каталог ничем не отличаются; для их различия вводится специальный флаг в структуру индексного дескриптора. Но в отличие от обычного файла, жесткую ссылку на каталог создать нельзя. Это запрещено ядром и какими бы вы правами не обладали, обойти этот запрет нельзя. Сделано это для того, чтобы невозможно было создавать жесткие ссылки на родительские каталоги. В противном случае программы, обходящие дерево файловой системы, зависали бы в бесконечном цикле, поскольку две жесткие ссылки абсолютно равноправны и различить их невозможно. Несмотря на этот запрет, в виртуальной файловой системе все же существуют каталоги, которые содержат ссылку на самих себя и на родительский каталог. Это упомянутые выше директории с именами. (точка) и.. (две точки). Поскольку имя у них одно и то же, то в программе легко можно предусмотреть игнорирование этих каталогов.