[[oktatas:linux|< Linux]]

====== Fájlrendszer adatstruktúra Linuxon ======

  * **Szerző:** Sallai András
  * Copyright (c) 2017, Sallai András
  * Szerkesztve: 2017, 2018, 2019
  * Licenc: [[https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/|CC BY-SA 4.0]]
  * Web: https://szit.hu

===== Inode =====

Az inode, magyarul csomópont. A linuxos és a Unix szerű operációs 
rendszerekben minden információt egy inode-ban tárolunk egy fájlról,
kivéve a nevét és az adatokat. 

Minden fájlhoz tartozik egy inode. Az inode a fájltól külön helyen tárolódik,
nem a fájl mellett. Az inode számtalan információt (meta információk) tartalmaz
egy fájlról, kivéve a nevét. A név külön tárolódik, a katalógusban (könyvtár
bejegyzésben). Egy fájlhoz több név is tartozhat.
A katalógus bejegyzések száma, viszont a linkben tárolódik.

Minden inode rendelkezik egy azonosító számmal, amely egyedi a fájlrendszeren belül. 

Az inode száma a stat rendszerhívással kérdezhető le. Parancs
is van ilyen:
  stat fajlnev
Erre a célra használhatjuk az ls parancsot is:
  ls -li fajlnev


===== Könyvtár hierarchia =====

A számítógépen a fájlokat a rendezett eléréshez, hierarchikus 
könyvtár szerkezetben tároljuk. 

Egy fájl létrehozásakor a fájl neve és a fájlhoz tartozó 
inode azonosítószám a könyvtárhoz tartozó inode-ban tárolódik.



===== Az ext4 fájlrendszer =====

Az ext4 a partíciót logikai blokkok tömbjére osztja,
amely csökkenti a könyvelést és növeli a teljesítményt. 

Elsődlegesen a blokk mérete 4KiB. A blokkok mérete 1 KiB
és 64 KiB között lehet. A szektorok száma 2 hatványa,
egy egész szám. A blokkok csoportokba vannak szervezve,
amelyeket blokk csoportoknak nevezünk. 

Csatolási problémákat tapasztalhatunk, ha a blokk mérete 
nagyobb mint egy memória lap mérete. Egy i386 esetén a lapméret
4KiB, így ennél nagyobb blokk méret gondot okoz a csatolásnál. 

Alapértelmezetten egy fájlrendszer 2^32 darab blokkot tartalmaz.
Ha a 64 bites lehetőség engedélyezett, a lehetséges blokk méret 
2^64 blokk. 

32 bites fájlrendszerek esetén a következő limitek érvényesek:

^           ^  1 KiB  ^  2 KiB  ^  4 KiB  ^  64 KiB  ^
|  blokkok  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |
|  inode    |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |
| A fájlrendszer mérete  |  4 TiB  |  8 TiB  |  16 TiB  |  256 PiB  |
| Blokkcsoportonkénti \\ blokkok száma  |  8192  |  16384  |  32768  |  524288  |
| Blokkcsoportonkénti \\ inode-ok száma  |  8192  |  16384  |  32768  |  524288  |
| Blokkcsoport mérete  |  8 MiB  |  32 MiB  |  128 MiB |  32 GiB  |
| Fájlonkénti blokkok száma \\ extent  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |
| Fájlonkénti blokkok száma \\ közvetett blokkmegfeleltetés  |  16 843 020  |  134 480 396  |  1 074 791 436  |   4 398 314 962 956 \\  valójában <nowiki>2^32</nowiki> a mezők \\ méretének korláta miatt  |
| Fájlméret \\ terjedelem  |  4 TiB  |  8 TiB  |  16 TiB  |  256 TiB  |
| Fájlméret \\ blokkleírók  |  16 GiB  |  256 GiB  |  4 TiB  |  256 TiB  |


64 bites fájlrendszerek esetén a következő limitek érvényesek:

^           ^  1 KiB  ^  2 KiB  ^  4 KiB  ^  64 KiB  ^
|  blokkok  |  <nowiki>2^64</nowiki>  |  <nowiki>2^64</nowiki>  |  <nowiki>2^64</nowiki>  |  <nowiki>2^64</nowiki>  |
|  inode-ok    |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |
| A fájlrendszer mérete  |  16 ZiB  |  32 ZiB  |  64 ZiB  |  1 YiB  |
| Blokkcsoportonkénti \\ blokkok száma  |  8192  |  16 384  |  32 768  |  524288  |
| Blokkcsoportonkénti \\ inode-ok száma  |  8192  |  16 384  |  32 768  |  524 288  |
| Blokkcsoport mérete  |  8 MiB  |  32 MiB  |  128 MiB |  32 GiB  |
| Fájlonkénti blokkok száma \\ extent  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |  <nowiki>2^32</nowiki>  |
| Fájlonkénti blokkok száma \\ közvetett blokkmegfeleltetés  |  16 843 020  |  134 480 396  |  1 074 791 436  |   4 398 314 962 956 \\  valójában <nowiki>2^32</nowiki> a mezők \\ méretének korláta miatt  |
| Fájlméret \\ terjedelem  |  4 TiB  |  8 TiB  |  16 TiB  |  256 TiB  |
| Fájlméret \\ blokkleírók  |  16 GiB  |  256 GiB  |  4 TiB  |  256 TiB  |

Amikor létrehozunk egy fájlt 4096 bájt méretű blokkokat foglalunk számára, mérettől
függően. Egy inode-ban maximum 15 hivatkozás lehet. Így csak 61440 bájt
méretű állományok lehetnének. Egy inode-on belül a hivatkozásoknak, ezért több fajtáját használjuk:
  * direkt hivatkozás -- közvetlenül adatblokkra hivatkozunk
  * indirekt hivatkozás
  * kétszeresen indirekt hivatkozás
  * háromszorosan indirekt hivatkozás

Az indirekt hivatkozás egy újabb csomópontra mutat, amely adatokra 
tartalmaz hivatkozást. A kétszeresen indirekt hivatkozás mögött 
egy csomópont van, amely újabb csomópontokra mutat. 
A háromszorosan indirekt hivatkozás mögött az előzőekhez hasonlóan
van egy újabb csomópont, amely mögött újabb és újabb csomópontok vannak
három szinten, az ábrának megfelelően.

{{:oktatas:linux:inode_retegek.png?400|}}

Egy indoe-ban maximum 15 hivatkozás lehet. 
Ebből 12 lehet direkt hivatkozás, a többi az indirekt hivatkozásoknak
van fenntartva.

A fájlok (könyvtárak is) nevei a tartalmazó könyvtárak adatterületén tárolódnak.
Az alábbi ábrán a /srv könyvtár első adatterületének részletét látjuk, ahol 
a fájlok inode száma és a fájl neve össze van kötve.

{{:oktatas:linux:inode_adatblokk.png?400|}}

Egy linuxos rendszerben a könyvtárak is fájlok, csak speciális fájlok.
Így azok is a fájlokhoz hasonlóan tárolódnak.

===== Töredezettség vizuálisan =====

Az ext4 fájlrendszer a töredezettséget a blokkok csoportokba szervezésével, és menet közbeni
töredezettség mentesítéssel igyekszik megoldani. Azért nem 100%-os sikerrel. 

A töredezettséget vizuálisan megtekinthetjük a fragview programmal:
  * https://github.com/i-rinat/fragview

A használathoz telepítsük a szükséges függőségeket:
  # apt install libboost-dev libgtkmm-3.0-dev libglibmm-2.4-dev libsqlite3-dev
Szükséges programok:
  # apt install git cmake g++

A nem csomagkezelővel a rendszerbe kerülő programok forráskódját a következő helyre
szokás letölteni: /usr/local/src. Ezért lépjünk be ebbe a könyvtárba és 
töltsük le a fragview programot:
  # cd /usr/local/src
  # git clone https://github.com/i-rinat/fragview.git
A git parancshoz, természetesen szükség van a git csomagra.


A fordítás:
  $ cd fragview
  $ mkdir build && cd build
  $ cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
  $ make

A fordításhoz nem szükséges root jog, így egy felhasználó nevében is
megtehetjük. 

Ha szeretnénk telepíteni is, akkor már root jog szükséges:
  # make install

A program telepítés nélkül is használható.

{{:oktatas:linux:fragview.png|}}

===== debugfs =====

A debugfs nagyszerű program a fájlrendszerek vizsgálatához, vagy
egyszerűen csak azért, hogy megvizsgáljunk néhány tulajdonságot.

Egy kísérlethez készítsünk egy 1 MiB méretű állományt:
  truncate -s 1M egy.txt

Ellenőrizzük a fájl méretét:
  ls -l
Az eredmény ehhez hasonló lehet:
<code>
összesen 0
-rw-r--r-- 1 andras andras 1048576 szept 19 19:30 egy.txt
</code>

Készítsünk ext2 fájlrendszert az állományon:
  /bin/mkfs.ext2 -F egy.txt

Kapcsolódjunk fájlrendszerhez a debugfs programmal, írható módban:
  /sbin/debugfs -w egy.txt

Megjelenik a debugfs várakozási-jele:
<code>
$ /sbin/debugfs -w egy.txt
debugfs 1.43.4 (31-Jan-2017)
debugfs:  
</code>

A debugfs parancsokat vár.
Nézzük meg a gyökérfájlrendszer inode tartalmát:
  debugfs: stat <2>

A kimenet ehhez hasonló lehet:
<code>
Inode: 2   Type: directory    Mode:  0755   Flags: 0x0
Generation: 0    Version: 0x00000000
User:     0   Group:     0   Size: 1024
File ACL: 0    Directory ACL: 0
Links: 3   Blockcount: 2
Fragment:  Address: 0    Number: 0    Size: 0
ctime: 0x5ba288ba -- Wed Sep 19 19:34:50 2018
atime: 0x5ba288ba -- Wed Sep 19 19:34:50 2018
mtime: 0x5ba288ba -- Wed Sep 19 19:34:50 2018
BLOCKS:
(0):24
TOTAL: 1
</code>

A felületről a "Q" billentyűvel lehet kilépni,
miután visszakapjuk a debugfs várakozási-jelet.

További debugfs parancsokért írjuk be a help parancsot.
A kimenet ehhez hasonló:
<code>
Available debugfs requests:

show_debugfs_params, params
                         Show debugfs parameters
open_filesys, open       Open a filesystem
close_filesys, close     Close the filesystem
freefrag, e2freefrag     Report free space fragmentation
feature, features        Set/print superblock features
dirty_filesys, dirty     Mark the filesystem as dirty
init_filesys             Initialize a filesystem (DESTROYS DATA)
show_super_stats, stats  Show superblock statistics
ncheck                   Do inode->name translation
icheck                   Do block->inode translation
change_root_directory, chroot
                         Change root directory
change_working_directory, cd
                         Change working directory
list_directory, ls       List directory
show_inode_info, stat    Show inode information 
dump_extents, extents, ex
                         Dump extents information 
blocks                   Dump blocks used by an inode 
--More--
</code>

Alul a <nowiki>--More--</nowiki> felirat mutatja, hogy a szóköz billentyűvel
lehet a többi parancsot megnézni. A legtöbb parancsnak létezik
rövidített változata.

A kilépés a debugfs-ből a "Q" billentyűvel lehetséges.

A módosító parancs futtatásával az inode teljes felépítését 
megtekinthetjük. A parancs hosszú és rövid változata:
  modify_inode, mi

A "/" könyvtár inode-ja:
<code>
debugfs:  mi <2>
                          Mode    [040755] 
                       User ID    [0] 
                      Group ID    [0] 
                          Size    [1024] 
                 Creation time    [1537378490] 
             Modification time    [1537378490] 
                   Access time    [1537378490] 
                 Deletion time    [0] 
                    Link count    [3] 
              Block count high    [0] 
                   Block count    [2] 
                    File flags    [0x0] 
                    Generation    [0x0] 
                      File acl    [0] 
                 Directory acl    [0] 
              Fragment address    [0] 
               Direct Block #0    [24] 
               Direct Block #1    [0] 
               Direct Block #2    [0] 
               Direct Block #3    [0] 
               Direct Block #4    [0] 
               Direct Block #5    [0] 
               Direct Block #6    [0] 
               Direct Block #7    [0] 
               Direct Block #8    [0] 
               Direct Block #9    [0] 
              Direct Block #10    [0] 
              Direct Block #11    [0] 
                Indirect Block    [0] 
         Double Indirect Block    [0] 
         Triple Indirect Block    [0] 
debugfs:
</code>

Ha csak Entert ütünk minden érték után, nem változtatunk az inode értékein.

Az inode helyének lekérdezése:
<code>
debugfs:  imap <2>
Inode 2 is part of block group 0
	located at block 8, offset 0x0080
debugfs:
</code>

Törölt fájlok listája:
  lsdel

Törölt fájl visszaállítása:
  undel

További lehetőségekért nézzük meg a debugfs(8) kézikönyvet.

===== A /boot partíció =====

A korai boot menedzserek nem támogatták az ext3, ext4 partíciókat. 
Ezért azt szokták ajánlani, hogy legyen ext2. Manapság a GRUB2
támogatja az ext3 és ext4 partíciókat is, bármelyiket használhatjuk.
Ha más fájlrendszert is használunk, mint például az xfs, akkor előfordulhat, hogy a 
GRUB nem támogatja, vagy a támogatás nem stabil, ezért ext 
fájlrendszert ajánlott használni a /boot partíció esetén. 
Mivel a boot partíció ritkán változik, ezért ext2 fájlrendszer 
megfelel a célnak, ami nem tartalmaz naplózást.

Az alábbi webhelyen megtekinthetjük milyen fájlrendszereket 
támogat a GRUB:

  * https://www.gnu.org/software/grub/manual/grub/grub.html (2019)

Keressük a "Support multiple filesystem types" részt. 

===== Irodalom =====
  * https://github.com/torvalds/linux/blob/master/fs/ext4/ext4.h (2019)
  * https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/ext4/overview.html#special-inodes (2019)