Файловая система FreeBSD: иерархия и монтирование


Алексей Федорчук

Созданием разделов и файловых систем на них дело подготовки дискового пространства к использованию не заканчивается. Все созданные файловые системы нужно еще сделать доступными для FreeBSD. Для чего они должны быть смонтированы - то есть включены в единую иерархию каталогов и файлов, для обозначения которой также используется название файловой системы. Однако если раньше речь шла о физической организации данных, то теперь пора ознакомиться с ее логикой.
Логика файловой системы

Логически файловая система FreeBSD (как и любой Unix-системы) организована по древовидному принципу: в основании ее лежит корень (корневой каталог, обозначаемый символом / и именуемый также root-каталогом; последнее не должно путать с каталогом /root, который выполняет роль домашнего для суперпользователя).

От корневого каталога, который можно уподобить скорее стволу дерева, отходят ветви - вложенные в него подкаталоги, и побеги - обычные файлы. Последних, правда, немного: в версиях FreeBSD это некий энтропийный файл (/entropy) и файл с описанием авторских прав на систему /COPYRIGHT.

А вот подкаталогов в корневом каталоге довольно много, и некоторые из них устроены внутри весьма сложно, содержа в себе изрядное количество вложенных подкаталогов более глубоких уровней.

В принципе иерархия каталогов во всех Unix-системах похожа, поскольку регламентируется, во-первых, многолетней традицией, во-вторых - всякого рода стандартизирующими документами, в частности, FHS (Filesystem Hierarchy Standard), который ныне доступен в русском переводе (за который спасибо Виктору Костромину).

Стандарт FHS был разработан первоначально для упорядочивания структуры каталогов в многочисленных дистрибутивах Linux. И лишь позднее он был приспособлен для других Unix-подобных систем (в том числе и BSD-клана). Однако именно иерархия каталогов FreeBSD может послужить примером для образцового следования духу FHS. А буквально штучные отступления в ней от его буквы всегда функционально обусловлены.

Стандарт FHS покоится на двух основополагающих принципах - четком отделении в файловой иерархии каталогов разделяемых и неразделяемых, с одной стороны, и неизменяемых и изменяемых - с другой.

Противопоставление разделяемых и неразделяемых каталогов обусловлено изначально сетевой природой Unix вообще и FreeBSD в частности. То есть данные, относящиеся к локальной машине (например, файлы конфигурирования ее устройств) должны лежать в каталогах, отдельных от тех, содержимое которых доступны с других машин в сети, локальной или глобальной (примером чему являются не только пользовательские данные, но и программы).

Суть противопоставления неизменяемых и изменяемых каталогов легко пояснить на примере. Так, те же пользовательские программы по природе своей должны быть неизменяемыми (вернее, доступными для модификации только администратору системы, но не самому пользователю, применяющему их в своей работе). В то же время эти программы при своей работе генерируют не только файлы данных, скажем, тексты или изображения (изменяемая их природа ясна без комментариев), но всякого рода служебную информацию, типа log-файлов, временных файлов и тому подобного). Каковая и должна группироваться в каталогах, отделенных от собственно исполнимых файлов программ, необходимых для их запуска библиотек, конфигурационных файлов и т.д.

Четкое следовании концепции отчленения разделяемых и неразделяемых, неизменяемых и неизменяемых каталогов друг от друга позволяет, в рамках единой древовидной файловой иерархии, обособить отдельные ее ветви физически - то есть в виде самостоятельных файловых систем, размещенных на изолированных устройствах (дисках, дисковых слайсах, разделах; в общем случае - и на удаленных, связанных по сети, носителях, но об этом не будет сейчас разговора). Резонов к тому много - и повышение быстродействия, и увеличение надежности, и просто соображения удобства, - но и о них сейчас речь не пойдет. Потому что сейчас для нас важно только то, что эти ветви файлового древа должны быть инкорпорированы в общую файловую систему.

В Unix-системах всякий файл (в том числе и каталог) опознается системой не по ее имени, а по уникальному идентификатору его записи в таблице inodes. Существуют средства для того, чтобы эти файловые идентификаторы просмотреть. Одно из них - команда ls с опцией -i, которая выведет идентификаторы каждого именованного файла. Данная для корневого каталога -
$ ls -i /

она покажет нам несколько неожиданную картину (для упрощения из вывода исключены сведения об обычных файлах и символических ссылках в корне, а оставшиеся каталоги отсортированы по их идентификаторам):
2 ../
2 ./
2 dev/
2 home/
2 tmp/
2 usr/
2 var/
3 cdrom/
4 mnt/
5 root/
8257 dist/
8258 bin/
8294 proc/
8295 sbin/
16512 stand/
24768 etc/
24776 boot/

Из этого примера (относящегося к файловой системе машины, на которой эти строки пишутся) видно, что аж 7 каталогов имеют одинаковые цифровые идентификаторы, равные 2. Спрашивается, какая же здесь уникальность?

С первыми двумя элементами списка разобраться легко: ./ представляет собой обозначение текущего каталога (в данном случае корневого), а ../ - каталога, родительского по отношению к текущему; а поскольку выше корня в файловой иерархии по определению ничего нет, то последний обозначает самого себя. Так что неудивительно, что ./ и ../ имеют один и тот же идентификатор - это разные обозначения (жесткие ссылки, или, иначе говоря, дублирующие имена) для одного и того же, корневого, каталога.

А вот то же, как кажется на первый взгляд, значение идентификатора для каталогов /dev, /home, /tmp, /usr, /var требует объяснения. Однако оно - простое: все это каталоги, в которые смонтированы самостоятельные файловые системы, либо расположенные на отдельных устройствах - дисковых партициях, как каталоги /home, /usr, /var, либо виртуальные файловые системы, не надстраивающие какое-либо реальное дисковой устройство (каталог /dev с файловой системой устройств и, в данном случае, каталог /tmp, в который смонтирована файловая система в оперативной памяти, разговор о которых еще предстоит). А поскольку таблица inodes - своя для каждой файловой системы, нет ничего удивительного в том, что корень каждой из них идентифицируется числом 2 - нумерация inodes в них идет в собственной системе отсчета.

Так вот, монтирование - это и есть включение файловой с системы в какой-либо из существующих в корневой системе каталог (не обязательно непосредственно в корне, он может быть любой степени вложенности, что проиллюстрируется чуть ниже). Без этого каталоги и файлы такой монтируемой системы просто недоступны. Это важно понимать, когда сталкиваешься выражениями вроде "создать файловую систему /usr". Из сказанного выше очевидно, что создается-то (командой newfs) просто некая абстрактная файловая система, а свое "имя" она обретает только в момент монтирования в указанный каталог.

Интересно, что и идентификатор каталога для монтирования (он еще именуется точкой монтирования, mount point) обретается только в момент монтирования. Чтобы убедиться в этом, проведем простой эксперимент. В каталоге /mnt, предназначенном специально для монтирования временно подключаемых файловых систем) можно увидеть три подкаталога - /mnt/disk, mnt/iso, /mnt/usb (это в моей системе, я их создал для собственного удобства; изначально каталог /mnt во FreeBSD пуст). При старте системы в них ничего не монтируется, и обычное их состояние - быть пустыми. Если просмотреть их идентификаторы, то можно видеть нечто вроде такого:
$ ls -i /mnt

18 disk/
24 iso/
19 usb/

Теперь возьмем и смонтируем в /mnt/usb флэш-накопитель с USB-интерфейсом (именно для этого я его и предназначал) и повторим просмотр. И видим:
18 disk/
24 iso/
2 usb/

То есть идентификаторы каталогов, оставшихся пустыми (/mnt/disk и /mnt/iso) не изменились, а идентификатор каталога /mnt/usb волшебным образом изменился на 2. Ибо в момент монтирования он стал корневым для своей собственной файловой системы и точкой отсчета для исчисления inodes всех записанных на ней файлов.

Немного отвлечемся и вспомним о жестких ссылках, посредством которых одному и тому же inode и относящимся к нему блокам данных могут быть присвоены разные имена. Теперь понятно, почему все такие файлы-дублеры должны лежать в одной файловой системе: ведь в разных файловых системах - своя, не совпадающая, нумерация inodes, и идентифицировать их по номерам невозможно (иначе как бы система отличила каталоги /usr и /var из нашего примера - ведь имена файлов ей глубоко до лампочки). Для символических же ссылок, имеющих собственные inode (собственно, и почти ничего, кроме них) со своими идентификаторами, нумеруемыми в системе отсчета файловой системы, в которой они находятся, такого ограничения нет. И могут символические ссылки лежать где угодно (в том числе и на удаленной машине - не только на ином разделе).

Вернемся, однако, к примеру нашего корневого каталога. Из всего рассмотренного видно, что целый ряд его ветвей лежит на отдельных партициях и образует собственные файловые системы (собственно, именно для этого мы и создавали и те, и другие). И, следовательно, все они нуждаются в монтировании.
Практика монтирования

Целям монтирования служит команда mount, выполняемая либо в ходе загрузки системы автоматически, либо - вручную, из командной строки. Собственно, в полном смысле автоматически в любом случае монтируется только корневая файловая система. Не обязательно лежащая на диске - при старте с rescue CD или иного страховочного носителя она может располагаться на виртуальном диске в оперативной памяти.

Однако процесс монтирования корневой файловой системы столь же неизбежен, как победа социализма в мировом масштабе: также, как социализм, не победив в мировом масштабе, просто утрачивает способность к существованию (что мы не так давно и наблюдали), так и ОС без корневой системы существовать не может. В Linux это вызывает kernel panic mode - примерно то состояние, в которое впали наши вожди лет 20 назад. Правда, они оказались крепче Linux'а и оклемались довольно быстро - так что до сих пор нас reboot'ят (или reboot? - а мы крепчаем:)). Впрочем, к делу монтирования, которое я попытаюсь вам сейчас представить, это не относится.

Так вот, для монтирования всех файловых систем, кроме корневой, необходимо предпринять некоторые действия. Сначала мы рассмотрим, как выполнить их руками, а потом - как увековечить в соответствующих конфигурационных файлах.

Итак, команда mount. Собственно, это - целое семейство программ, каждая из которой призвана монтировать файловые системы определенных типов - не только UFS, но и любой из числа поддерживаемых FreeBSD. Список таковых весьма обширен - получить о нем представление можно, просмотрев на сей предмет каталог /sbin:
$ ls -1 /sbin/mount*

что даст нам в ответ
/sbin/mount_cd9660*
/sbin/mount_devfs*
/sbin/mount_ext2fs*
/sbin/mount_fdescfs*
/sbin/mount_linprocfs*
/sbin/mount_mfs*
/sbin/mount_msdosfs*
/sbin/mount_nfs*
/sbin/mount_nfs4*
/sbin/mount_ntfs*
/sbin/mount_nullfs*
/sbin/mount_procfs*
/sbin/mount_std*
/sbin/mount_udf*
/sbin/mount_umapfs*
/sbin/mount_unionfs*

Каждая команда из этого списка отвечает за монтирование своего типа файловой системы, к некоторым из которых мы вернемся дальнейшем. А пока заметим только собственно /sbin/mount, предназначенную для работы с UFS и UFS2.

Вызванная из командной строки, она требует двух аргументов - имени монтируемого устройства и точки монтирования (то есть каталога, в который должна монтироваться лежащая на нем файловая система). Имя устройства должно обозначать уже размеченную на существующем BSD-слайсе патрицию с созданной на ней файловой системой UFS2 (UFS), например,
$ mount /dev/ads0d /usr

смонтирует файловую систему на указанном разделе в каталог /usr корня файлового древа. Если файловая система на устройстве не создана или имеет тип, отличный от UFS/UFS2, последует сообщение об ошибке - указание на incorrect super block: в отличие от одноименной утилиты Linux, сама по себе команда mount во FreeBSD распознавать тип файловой системы не умеет.

К точке монтирования предъявляются следующие требования: а) каталог с таким именем должен существовать к моменту монтирования, и б) быть по возможности пустым. Первое - обязательно, второе же - не совсем. Монтирование в каталог с какими-либо файлами пройдет беспрепятственно (помнится, в Linux не так давно это вызывало крах системы), но все его содержимое станет недоступным вплоть до размонтирования. И если файлы, в нем содержащиеся, имеют играют существенную роль для какой-либо подсистемы, это может вызвать всякие нехорошие последствия. Например, если содержимое каталога /tmp будет блокировано монтированием туда какой-либо файловой системы во время работы оконной системы X, результатом будет скорее всего крах X-сервера. Благо, при необходимости можно осуществить объединенное монтирование (см. ниже).

В указанной форме монтирование выполнится с некоторыми умолчальными характеристиками: файловая система будет доступна для чтения/записи в режиме т.н. noasync (том самом, при котором операции с метаданными осуществляются синхронно, а операции с данными - асинхронно). Изменить это положение можно с помощью значений опции -o. Их довольно много, однако практически главными на данном этапе для нас будут:
async - обеспечит полностью асинхронный режим (не смотря на грозные предупреждения в предыдущих заметках, я потом расскажу о ситуации, когда это может быть оправдано);
sync - напротив, включение полностью синхронного режима (правда, не очень представляю, зачем это практически нужно);
noatime - очень полезная опция, которая предотвращает обновление атрибута времени последнего доступа к файлам, чем немало способствует производительности;
rdonly - монтирует файловую систему в режиме только для чтения (иногда это бывает необходимо);
union - та самая опция, которая позволяет выполнить объединенное монтирование, при котором прежнее содержимое каталога mount point остается видимым; правда - с некоторыми ограничениями - см. man (8) mount.

Есть еще несколько значений опции -o, запрещающих размещение на смонтированной файловой системе файлов определенных разновидностей, например, исполняемых (-o noexec), файлов устройств (-o nodev) или файлов с т.н. битом суидности. Однако они имеют практическое значение в основном для администраторов серверов и служат целям безопасности. На настольной же машине обычной формой монтирования будет нечто вроде этой:
$ mount -o noatime /dev/ads0d /usr;
$ mount -o noatime /dev/ads0e /var;
$ mount -o noatime /dev/ads0f /home

Все сказанное относилось только к монтированию файловых систем FreeBSD. Однако на практике часто возникает необходимость инкорпорации в ее древо каталогов файловых систем других типов. Особенно часто это требуется для ISO9660 (обычная файловая система для всех компакт-дисков, кроме Mac'овских) и FAT'ов разного рода. В этом случае соответствующая случаю команда монтирования должна быть вызвана явно, например,
$ mount_cd9660 /dev/acd0 /cdrom

для монтирования компакта, или
$ mount_msdosfs /dev/ad## /mnt

для FAT'а любого рода (включая FAT32). Впрочем, сделать это можно и косвенно, указанием команде mount опции -t тип_файловой_системы. Так, команда
$ mount -t ext2fs /dev/ad## /mnt/linux

смонтирует файловую систему Linux (если соответствующая возможность включена в ядро). При этом стандартный mount для BSD-разделов просто подменяется командой /mount_ext2fs, призванной монтировать разделы ext2fs (и ext3fs тоже - но, естественно, без всяких функций журналирования). То есть форма
$ mount -t fstype ... ...

будет полным эквивалентом команды
$ mount_fstype ... ...

Все операции по монтированию файловых систем (в том числе и на сменных носителях) во FreeBSD требуют прав суперпользователя. В числе значений опции -o здесь, в отличие от Linux-варианта команды mount, нет параметра -o user, разрешающего монтирование обычным пользователям. Правда, есть несколько способов обойти это, о чем говорится в специальной заметке.
Настройка автоматического монтирования

Однако на практике к ручному монтированию прибегают только для редко используемых файловых систем. Все принципиально важные для функционирования FreeBSD файловые системы монтируются автоматически при старте системы, а часто используемые - в полуавтоматическом, так сказать, режиме.

Для автоматического монтирования программа mount запускается в процессе начальной загрузки из инициализационных сценариев. Она отыскивает свой конфигурационный файл - /etc/fstab, и монтирует все, что в нем обнаружит, за некоторыми (оговоренными ниже исключениями).

Сам по себе файл /etc/fstab генерируется автоматически при установке FreeBSD, включая все необходимые для обеспечения жизнедеятельности файловые системы. Однако в дальнейшем он может правиться вручную с целью внесения новых устройств для монтирования или дополнительных опций для уже включенных устройств.

Файл /etc/fstab - это простенькая база данных в текстовом формате (разделение полей - пробелами или табуляцией), включающая следующие поля:
Device - имя файла устройства, на котором расположена файловая система, аналогично первому аргументу команды mount при ручном ее использовании;
Mountpoint - точка монтирования (соответствует второму аргументу команды mount);
FStype - тип файловой системы, указываемый также, как значение опции -t;
Options - дополнительные опции монтирования, аналогично значениям опции -o;
Dump - условия выполнения резервного копирования файловой системы утилитой утилитой dump;
Pass# - условия проверки файловой системы утилитой fsck.

В свежеустановленной FreeBSD /etc/fstab в обязательном порядке будет включать следующие записи (пример для 1-го слайса Master-диска на 1-м IDE-канале):
# Device Mountpoint FStype Options Dump Pass#
/dev/ad0s1a / ufs rw 1 1
/dev/ad0s1b none swap sw 0 0

Если последовать советам резонных людей (и умолчаниям sysinstall) и выделить из состава корня некоторые ветки файловой системы, к перечисленным добавятся (при автоматической разметке слайса через sysinstall) еще и записи вроде
/dev/ad0s1d /var ufs rw 0 0
/dev/ad0s1e /usr ufs rw 0 0
/dev/ad0s1f /tmp ufs rw 0 0

Наконец, очень рекомендуется проследить, чтобы в наличии была еще и строка
/dev/ad0s1g /home ufs rw 0 0

отвечающая за файловую систему с домашними каталогами пользователей.

Очевидно, что в поле Options можно добавить любые доступные (и разумные) значения опции -o (через запятую, без пробелов), например, noatime для всех файловых систем, а для /tmp - еще и async, ведь для содержимого этого каталога не предполагается сохранение после перезагрузки.

Сказанное выше относилось к файловым системам, монтируемым при старте автоматически. Однако никто не мешает сделать в /etc/fstab записи для систем, подключаемым время от времени - в этом случае их можно будет монтировать по упрощенной схеме (именно это я и имел ввиду выше под полуавтоматическим режимом). Так, для CD-накопителя можно добавить строку (на самом деле она автоматически появляется при генерации файла /etc/fstab, если в sysinstall в качестве источника инсталляции выбирался CD)
/dev/acd0 /cdrom cd9660 ro,noauto 0 0

в которой опции, как нетрудно догадаться, предписывают отказ от монтирования при старте (noauto) и режим "только для чтения" (ro). После чего для монтирования CD достаточно будет указать только mount point -
$ mount /cdrom

или. напротив, имя файла устройства
$ mount /dev/acd0

Аналогичные записи можно сделать для всех сменных накопителей (Zip, USB-драйвов, даже флоппи-дисков) и для не-BSD разделов (FAT или Ext2fs). К слову сказать - монтировать файловые системы по упрощенной схеме можно сразу после внесения изменений в /etc/fstab, не дожидаясь перезагрузки машины.
Размонтирование

Все задействованные файловые системы перед выключением питания или перезагрузкой машины в обязательном порядке должны быть размонтированы. При корректном завершении работы это осуществляется автоматически, в результате чего каждая из доступных для записи файловых систем получает бит чистого размонтирования, записываемый в ее своем суперблоке. Наличие этого бита предотвращает при следующем запуске системы проверки файловых систем на непротиворечивость утилитой fsck.

Однако в ряде случаев (например, при подключении или отключении механизма Soft Updates или для выполнения проверки на целостность) возникает необходимость ручного размонтирования (и повторного монтирования) файловых систем, для чего служит команда umount. Она требует единственного аргумента - указания точки монтирования файловой системы, "изымаемой" из древа каталогов, например:
$ umount /tmp

или, как и в случае с полуавтоматическим монтированием, имени файла "выключаемого" устройства:
$ umount /dev/ad#s#?

Одной строкой можно размонтировать несколько файловых систем:
$ umount /usr /var /home

А можно - все смонтированные файловые системы или все файловые системы, перечисленные в файле /etc/fstab (кроме корневой), для чего потребуются опции
$ umount -A

или
$ umount -a

соответственно. Есть и возможность размонтирования файловых систем определенных типов путем указания значений опции -t. Так, команда
$ umount -t ufs

размонтирует только BSD-разделы, не затронув CD и всего остального, что задействовано в системе.

Файловые системы в момент размонтирования не должны использоваться, то есть не должно быть обращений к находящимся на них файлам. Так, нахождение в каком-либо каталоге файловой системы - достаточное основание для отказа в ее размонтировании (с выдачей сообщения типа device busy), почему ни одной из перечисленных выше команд и не удастся размонтировать корневую файловую систему. Поводом для отказа в размонтировании будет и считывание файла данных какой-либо программой - как и при удалении файла, открытый любым процессом дескриптор файла сделать это не позволит.

Впрочем, можно размонтировать и используемую файловую систему - для этого команду umount потребуется дать с опцией -f (от force - то есть насильно). Правда, это может привести к ошибкам, так что без острой необходимости лучше к ней не прибегать. И на корневую файловую систему опция принудительного размонтирования воздействия не окажет.
Массовое монтирование

Для продолжения работы после выполнения низкоуровневых операций с файловыми системами их потребуется смонтировать обратно. Это можно сделать не только без перезагрузки, но и без нудного индивидуального монтирования. Достаточно прибегнуть к опции -a:
$ mount -a

посредством которой будут смонтированы все файловые системы, для которых имеются записи в /etc/fstab. При этом будет предпринята попытка смонтировать и те из них, которые помечены флагом noauto. Чтобы избежать этого, можно дополнительно определить тип файловой системы. То есть команда
$ mount -a -t ufs

смонтирует только BSD-разделы, не покушаясь на CD или флэш-накопители. А можно, напротив, исключить из процесса глобального монтирования какие-то из перечисленных в /etc/fstab файловых систем, например, ненужные в данный момент FAT'ы:
$ mount -a -t nomsdosfs
Преамбула вместо заключения

К слову сказать, команда mount без опций и аргументов (а в такой форме, в отличие от всех рассмотренных выше случаев, ее может дать и обычный пользователь) выведет список смонтированных в данный момент файловых систем с указанием точки монтирования, условий оного и режима работы. Например, для машины, на которой пишутся эти строки, вывод ее будет выглядеть так:
/dev/ad0s1a on / (ufs, local, noatime, soft-updates)
devfs on /dev (devfs, local)
/dev/ccd0e on /var (ufs, local, noatime, soft-updates)
/dev/ccd1e on /usr (ufs, local, noatime, soft-updates)
/dev/ccd2e on /home (ufs, local, noatime, soft-updates)
/dev/md0 on /tmp (ufs, local, noatime, async)

Первая строка вывода показывает, что партиция /dev/ad0s1a смонтирована у нас в корневом каталоге, несет на себе файловую систему UFS (конкретно в данном случае - UFS2, но в выводе команды mount они не различаются) с задействованным механизмом Soft Updates, является локальной (то есть расположена на диске этой машины - сетевые диски также монтируются командой mount) и не подвержена обновлению атрибута atime.

А вот дальше идут строки для устройств и файловых систем, о которых не было речи в предшествующих повествованиях. Более того, если мы посмотрим на соответствующий наличной конфигурации файл /etc/fstab:
$ more /etc/fstab

/dev/ad0s1b none swap sw 0 0
/dev/ar0s1b none swap sw 0 0
/dev/ad0s1a / ufs rw,noatime 1 1
/dev/ccd0e /var ufs rw,noatime 2 2
/dev/ccd1e /usr ufs rw,noatime 2 2
/dev/ccd2e /home ufs rw,noatime 2 2
/dev/acd0 /cdrom cd9660 ro,noauto 0 0
/dev/da0s1 /mnt/usb ext2fs rw,noauto,noatime 0 0
/dev/md0 /tmp mfs rw,noatime,async,-s32m 2 0

то увидим, что одной из строк вывода
devfs on /dev (devfs, local)

вообще нет соответствия среди его записей. Что это за устройства и файловые системы?

Относительно устройств типа /dev/ccd0? скажу пока только, что это программные RAID-массивы (подробнее о них будет говориться в соответствующей заметке). А вот devfs и mfs - виртуальные файловые системы, которые будут темой следующего разговора.

Обновлено: 12.03.2015