🗂️ Файловые системы Linux: монтирование, inode и типы файлов

Файловые системы в Linux

Ключевые тезисы:

Файловая система (ФС) — это компонент ОС, организующий хранение данных на носителях в виде иерархического дерева.
Основные задачи ФС: унифицированный доступ к разным носителям, стабильность, управление метаданными.
В Linux используется единое корневое дерево (/), к которому монтируются (подключаются) другие носители.
Данные между ОЗУ и устройствами хранения (особенно GPU) перемещаются дорого, важно эффективно использовать кэши.

Ключевые концепции

Монтирование (Mounting)

Монтирование — процесс подключения файловой системы физического носителя (диск, флешка, виртуальный файл) к определённому каталогу в дереве Linux.
Демонтирование (Unmounting) — отключение файловой системы от дерева.
Команда mount (без аргументов) показывает все текущие монтирования.
Команда mount <устройство> <путь> выполняет монтирование.
Команда umount <путь> выполняет демонтирование.

Пример создания и монтирования виртуальной ФС:

Создать файл-носитель: dd if=/dev/zero of=mounted.xt4 bs=1M count=16
Отформатировать файл в ФС (например, ext4): mkfs.ext4 mounted.xt4
Создать точку монтирования: mkdir /mnt/example
Смонтировать файл: mount -o loop mounted.xt4 /mnt/example

Теперь все операции в /mnt/example будут записываться в файл mounted.xt4.

Структура файловой системы

Иерархия в Linux vs Windows

Windows: Множество корней (диски C:, D: и т.д.).
Linux: Единый корень /. Все носители монтируются в подкаталоги этого дерева.

Псевдофайловые системы (Pseudo Filesystems)

procfs (/proc): Представляет информацию о запущенных процессах и состоянии ядра в виде файлов.
sysfs (/sys): Представляет информацию об оборудовании и драйверах.
tmpfs: Располагается в оперативной памяти (RAM) или в swap-файле. Данные теряются после перезагрузки.

Swap-файл

Swap-файл — это область на жёстком диске, используемая как расширение оперативной памяти.
Используется, когда физической RAM не хватает.

Устройство файловой системы ext (ext2/3/4)

Основные понятия:

Суперблок (Superblock): Хранит метаинформацию о всей файловой системе (размер, количество inode и т.д.).
Группа блоков (Block Group): Диск разбивается на группы для ускорения доступа и уменьшения фрагментации.
Inode (Index Node): Ключевая структура! Хранит метаданные файла (права, владелец, размер, временные метки) и указатели на блоки данных с содержимым файла.
Блок данных (Data Block): Элементарная единица хранения информации (обычно 4 КБ).

Как inode ссылается на данные:

Прямые ссылки (12 штук) на блоки данных.
Одноуровневая косвенная ссылка: inode → блок со ссылками → блоки данных.
Двухуровневая косвенная ссылка: inode → блок-1 → блок-2 → блоки данных.
Трёхуровневая косвенная ссылка.

Проверка целостности ФС:

Утилита fsck (File System Consistency Check).

Полезные команды для работы с ФС

df (disk free): Показывает свободное место на смонтированных файловых системах.
- df -h — вывод в удобочитаемом формате (ГБ, МБ).
du (disk usage): Оценивает использование дискового пространства файлами и каталогами.
- du -sh <путь> — суммарный размер указанного каталога.
stat: Показывает детальную информацию о файле (inode, размер, права и т.д.).
ls -i: Показывает номер inode для каждого файла в каталоге.

Типы файлов в Linux

В Linux существует 7 типов файлов, определяемых первым символом в выводе ls -l:

- — Обычный (регулярный) файл (regular file).
d — Каталог (directory). Создание: mkdir.
l — Символическая (мягкая) ссылка (symbolic link, symlink). Создание: ln -s <цель> <имя_ссылки>.
p — Именованный канал (named pipe, FIFO). Создание: mkfifo.
s — Сокет (socket).
c — Символьное устройство (character device). Работает с потоками байтов (например, /dev/null, /dev/zero).
b — Блочное устройство (block device). Работает с блоками данных (например, жёсткие диски /dev/nvme*, /dev/sd*).

Ссылки: Hardlink vs Symlink

Характеристика	Жёсткая ссылка (Hardlink)	Символическая ссылка (Symlink)
Создание	`ln <цель> <имя_ссылки>`	`ln -s <цель> <имя_ссылки>`
Inode	Совпадает с исходным файлом.	Имеет собственный inode.
После удаления цели	Данные остаются доступны по ссылке (счётчик ссылок в inode уменьшается).	Ссылка становится "битой" (broken).
Межфайловая система	Невозможно создать между разными ФС.	Можно создать на любой путь.
Сущность	Дополнительное имя для тех же данных на диске.	Файл, содержащий путь к цели.

Важные особенности и примечания

Стики-бит (Sticky bit, t):
- Устанавливается на каталог (например, /tmp).
- Разрешает удаление/переименование файла в каталоге только его владельцу, владельцу каталога или root.
Отложенная запись (Delayed allocation):
- Механизм для уменьшения износа SSD. Изменения сначала накапливаются в RAM, а затем записываются на диск пачками.
- Важно: Для корректного завершения работы используйте shutdown или reboot, а не принудительное выключение.
Временные файлы:
- Для создания временных файлов и каталогов используйте mktemp и mktemp -d. Очистка зависит от настроек дистрибутива.

Выводы

Файловая система в Linux — это единое дерево, формируемое монтированием различных носителей.
Структура ФС (на примере ext) основана на inode, связывающих метаданные файла с физическими блоками данных.
Понимание типов файлов (особенно ссылок и специальных файлов устройств) критически важно для администрирования.
Эффективная работа с ФС требует учёта стоимости операций ввода-вывода и правильного управления правами доступа.