Стандарты операционных систем реального времени. Типовой набор каталогов POSIX-системы. Что такое POSIX

Алексей Федорчук
2005 г

Одной из отличительных особенностей логического устройства файловой системы операционок POSIX-семейства является их иерархическая, или древовидная, организации (правда, как я уже говорил дерево выглядит это немного странно). То есть здесь нет, как в DOS или Windows любого рода, обозначений (например, буквенных, или каких-либо иных) для отдельных носителей и их разделов: все они включаются в единую структуру в качестве подкаталогов главного каталога. называемого корневым. Процесс подключения файловых систем на самостоятельных физических носителях (и их разделах) к корню файлового древа называется монтированием, а подкаталоги, содержимое которых они составляют, именуются точками монтирования.

Исторически в Unix сложилась определенная структура каталогов, весьма сходная в разных представителях этого семейства в общих чертах, но несколько различающаяся в деталях. В частности, файловая иерархия в BSD-системах почти идентична, отличаясь от таковой в Linux. А в последней существенные отличия обнаруживаются между разными дистрибутивами. Вплоть до того, что структура файловой иерархии является одним из дистрибутив-специфичных признаков.

Такое положение дел затрудняет сочинение кросс-платформенных приложений. И потому существует и активно развивается проект стандартизации файловой иерархии — FHS (Filesystem Hierarchy Standard).

Проект FHS был направлен первоначально на упорядочивание структуры каталогов в многочисленных дистрибутивах Linux. Позднее он был приспособлен для других Unix-подобных систем (в том числе и BSD-клана). И ныне предпринимаются активные (но не очень успешные) усилия к тому, чтобы сделать его стандартом для POSIX-систем не только по имени, но и фактически.

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. 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 общие 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.

Тем не менее, не смотря на активное продвижение во многих дистрибутивах Linux из числа наиболее распространенных, статуса истинного стандарта FHS не обрел. Существует немало дистрибутивов Linux, не использующие некоторые его положения. А с традиционной файловой иерархией BSD-систем он соотносится лишь частично.

И причина — в том, что FHS игнорирует еще одно противопоставление, очень важное для пользователя: противопоставление легко восстановимых частей файловой системы, и тех ее компонентов, которые восстановимы с трудом или невосстановимы вообще.

К первым, как ни странно, можно отнести саму базовую систему: ведь переустановка ее с дистрибутивного носителя, в случае фатального краха, дело не столь уж сложное. К трудновосстановимым частям файловой системы, очевидно, относятся пользовательские данные: даже в случае регулярного их резервирования (а многие ли пользователи столь аккуратны?) развертывание их из архивов потребует немалого времени (и почти неизбежно повлечет некоторые потери).

Кроме того, в BSD-системах и Source Based дистрибутивах Linux к трудновосстановимым каталогам я отнес бы все, связанное с пакетным менеджментом — дерево портов FreeBSD или pkgsrc в NetBSD (и системах, его заимствовавших), их аналоги в дистрибутивах Linux, собственно исходники портированных программ, да и исходные тексты системы тоже. Ибо, даже если все это имеется на дистрибутиве, эти компоненты файловой системы, как правило, поддерживаются пользователем в актуальном состоянии путем синхронизации по Сети с серверами проекта (иначе их использование лишено смысла). И их утрата повлечет как временные (особенно при модемном подключении), так и финансовые (мало кто является счастливым обладателем бесплатного доступа в Интернет) потери.

Четкое следовании концепции отчленения разделяемых и неразделяемых, неизменяемых и неизменяемых, восстановимых и невосстановимых 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 разделах, слайсах, партициях etc.). Резонов к тому много — и повышение быстродействия, и увеличение надежности, и просто соображения удобства, — но и о них сейчас речь не пойдет. Потому что в данный момент для нас важно только то, что эти ветви файлового древа должны быть инкорпорированы в общую файловую систему.

Типовой набор каталогов POSIX-системы

Собственно говоря, для функционирования абсолютно необходимо наличие лишь одной файловой системы — той, что монтируется в корневой каталог файлового древа (своего рода аналог мирового дерева Иггдрассиль). Корневой каталог и его непременные ветви обязательно должны составлять единую файловую систему, расположенную на одном носителе — диске, дисковом разделе, программном либо аппаратном RAID-массиве, или логическом томе в понимании LVM. И в нем должны располагаться все компоненты, необходимые для старта системы и, в идеале, — ничего сверх того.

Просмотреть состав корневого каталога можно командой

$ ls -1 /

которая в любой POSIX-системе покажет некий минимальный джентльменский набор каталогов:

Bin/ boot/ etc/ root/ sbin/

Именно в них собраны все файлы, без которых система не может существовать. Прочие каталоги — примерно такие:

Home/ mnt/ opt/ tmp/ usr/ var/

Они а) не обязательны (по крайней мере, теоретически — практически обойтись без них трудновато), б) не каждый из них присутствует во всех системах и дистрибутивах, и в) каждый из них может быть (и часто является — если все делать по уму) точкой монтирования собственной ветви файлового древа.

Кроме этого, в большинстве случаев в корне файловой системы POSIX-совместимых ОС присутствуют еще два подкаталога:

Dev/ proc/

Это обычно — точки монтирования виртуальных файловых систем — устройств и процессов, соответственно (хотя, если файловая система устройств не используется, каталог /dev обязательно должен быть компонентом корневой файловой системы. Наконец, в Linux-системах, как правило, в корне файлового древа лежит еще и каталог /lib , предназначенный для главных системных библиотек. А при использовании механизма udev неизбежным оказывается еще и каталог /sys , в который монтируется виртуальная файловая система sysfs .

Корневая файловая система

Корневая файловая система является неразделяемой (то есть не предназначенной для совместного использования разными машинами сети) и неизменяемой (то есть изменения в нее может вносить только администратор системы, но не пользовательские программы и, тем более, не пользователи). Причем крайне не рекомендуется создавать в ней подкаталоги сверх предусмотренных стандартом (и перечисленных выше).

Наполнение корневой файловой системы подбирается с таким рассчетом, чтобы машина могла стартовать и сохраняла бы минимальную функциональность даже при аварийной загрузке (или в однопользовательском режиме), когда все остальные файловые системы не монтируются (и, соответственно, такие ее ветки, как /usr или /var , могут оказаться недоступными.

В соответствие с этим старт машины обеспечивается файлами каталогов /boot и /etc . В первом размещаются ядро системы — исполнимый файл «особого назначения», — и все, что требуется для его загрузки: в Linux, например, это системная карта (файл /etc/System.map), а во FreeBSD — загружаемые модули ядра. Впрочем, подчас ядро размещается непосредственно в корне файловой системы, и тогда каталог /boot может отсутствовать вовсе, а под модули ядра может отводиться каталог /modules .

Каталог /etc предназначен для общесистемных конфигурационных файлов, определяющих условия ее загрузки. Содержимое его очень сильно зависит от системы (а в Linux — еще и от дистрибутива), и потому рассматривать его здесь я не буду — к этой теме придется еще не раз возвращаться.

Минимально необходимая функциональность обеспечивается содержимым каталогов /bin и /sbin — в них собраны исполнимые файлы важнейших пользовательских и системных программ, соответственно, тех самых, которые позволят выполнить комплекс ремонтно-спасательных мероприятий и привести машину в человеческий вид после сбоя.

Разнесение системных и пользовательских программ по подкаталогам корня — достаточно условно. Ни одна из команд этих для решения пользовательских задач по настоящему не предназначена. Просто в каталоге /bin собраны команды администрирования, к которым время от времени обращается (или может обратиться) и обычный пользователь, а каталог sbin предназначен для команд, о которых пользователю и знать-то не положено. И которыми он, в большинстве случаев, все равно не сможет воспользоваться по причине отсутствия соответствующих полномочий (например, требуемых прав доступа к файлам устройств).

Для запуска POSIX-программ (в том числе и тех, что собраны в каталогах /bin и sbin), как правило, требуется доступ к функциям общесистемных библиотек (в первую очередь — главной библиотеки glibc). И потому (почти) непременный компонент корневого каталога — подкаталог /lib , в коем они и собраны.

В Linux каталог /lib служит еще одной важной цели — в его подкаталоге (/lib/modules) собраны загружаемые модули ядра (во FreeBSD их место — каталог /boot/kernel).

Во FreeBSD каталога /lib в корневой файловой системе не обнаруживается — соответствующие компоненты здесь размещаются в /usr/lib (см. далее). Это связано с тем, что исторически во FreeBSD важнейшие общесистемные программы собирались так, что требуемые им библиотечные функции встраивались в их исполнимые файлы (так называемая статическая линковка, о которой речь пойдет в главе 14). Во FreeBSD 5-й ветки программы из каталогов /bin и /sbin линкуются динамически, то есть при отсутствии каталога /usr (а во Free это почти всегда отдельная ветвь файловой системы) они не функционируют. В компенсацию чего предусмотрен выходящий за рамки стандартов каталог /restore , содержащий те же программы, но слинкованные статически (как следует из имени каталога, единственным назначением его содержимого являются аварийно-спасательные работы).

И, наконец, /root . Это — обычный домашний каталог одноименного пользователя, сиречь администратора системы. Поскольку никакой практической работы он не делает (или, по крайней мере, делать не должен), содержимое его — лишь собственные конфигурационные файлы суперпользователя (пользовательской командной оболочки, любимого редактора и так далее).

Ветвь /usr

Исторически каталог /usr предназначался для пользовательских программ и данных. Ныне эти функции распределены между каталогами /usr/local и /home (хотя и сейчас во FreeBSD по умолчанию последний представляет собой символическую ссылку на /usr/home). Каталог же /usr — не изменяемый, но разделяемый, — служит вместилищем основной части прикладных программ и всего, что к ним относится — исходных текстов, конфигурационных файлов, разделяемых библиотек, документации и тому подобного хозяйства.

Состав каталога /usr существенно различается в BSD-системах и в Linux. В первых в него помещаются только неотъемлемые части операционной системы (того, что во FreeBSD объединяется понятием Distributions). Приложения же, устанавливаемые из портов или пакетов, имеют место своей прописки подкаталог /usr/local , который может представлять отдельную ветвь файлового древа.

В Linux каталог /usr служит вместилищем всех программ (и их компонентов), штатно включенных в состав дистрибутива. А подкаталог /usr/local предназначается обычно для программ, самостоятельно собираемых из исходников.

В любом случае, обычный состав каталога /usr следующий (по выводу команды ls -1):

X11R6/ bin/ etc/ include/ lib/ libexec/ local/ sbin/ share/ src/

Как уже говорилось, подкаталог /usr/local — отдельная ветвь файлового древа, и потому будет рассмотрен отдельно же. Назначение же прочих каталогов таково:

• /usr/bin и /usr/sbin предназначены для исполнимых файлов пользовательских и системных программ (здесь граница между ними еще более условна, чем в случае корневого каталога), назначение которых выходит за рамки обеспечения базового функционирования системы;
• /usr/etc предназначается для конфигурационных файлов отдельных приложений;
• /usr/include содержит так называемые заголовочные файлы, необходимые для линковки исполняемых файлов с библиотечными компонентами;
• /usr/lib и /usr/libexec — каталоги для разделяемых библиотек, от которых зависят пользовательские приложения;
• /usr/share — вместилище самых разнообразных, т.н. архитектурно независимых, компонентов: здесь можно видеть и документацию в разных форматах, и примеры конфигурационных файлов, и данные, используемые программами управления консолью (шрифты, раскладки клавиатуры), и описание часовых поясов;
• /usr/src — каталог для исходных текстов; в Linux тут штатно помещаются только исходники ядра (ядер) системы, в BSD же клонах — полный набор исходников того комплекса, который во FreeBSD именуется Distributions; исходники самостоятельно собираемых программ помещать сюда, как правило, нежелательно;
• /usr/X11R6 — каталог для компонентов оконной системы Икс — исполнимых файлов (/usr/X11R6/bin), библиотек (/usr/X11R6/lib), заголовков (/usr/X11R6/include), документации (/usr/X11R6/man); файлы Иксовых приложений сюда помещаться не должны (за исключением, разве что, оконных менеджеров) — их место в /usr , /usr/local или /opt , в зависимости от системы.

Кроме этого, в каталоге /usr могут обнаружиться подкаталоги /usr/var и /usr/tmp — обычно символические ссылки на соответствующие ветви корневого каталога. А в некоторых дистрибутивах Linux непосредственно в /usr помещается и основная общесистемная документация — man-страницы (в подкаталог /usr/man).

Наконец, в BSD-системах и некоторых Source Based дистрибутивах Linux (например, Gentoo) в каталоге /usr размещается подкаталог для системы управления пакетами — портов FreeBSD и OpenBSD (/usr/ports), их аналогов в других системах (/usr/portage в Gentoo). Хотя с точки зрения следования букве и духу стандарта FHS (сам он о портах и подобных системах не упоминает ни словом), более логичным местом их размещения был бы каталог /var (см. ниже) — и именно так делается в таких дистрибутивах, как CRUX и Archlinux.

Ветвь /usr/local

Как уже было сказано, ветвь /usr/local в Linux предназначена для самостоятельно собираемых из исходников (не входящих в данный дистрибутив) программ. А во FreeBSD она служит вместилищем большей части пользовательских приложений — почти всего того, что выходит за рамки Distributions и устанавливается из пакетов или портов. Соответственно этому, структура каталога в целом повторяет таковую ветви /usr (с понятными исключениями):

Bin/ etc/ include/ lib/ man/ sbin/ share/

Содержимое подкаталогов также аналогично: исполнимые файлы программ (/usr/local/bin и /usr/local/sbin), их конфиги (/usr/local/etc), библиотеки, с которым они связаны, и их заголовочные файлы (/usr/local/lib и /usr/local/include , соответственно), man-страницы (/usr/local/man) и всякая архитектурно независимая всячина (/usr/local/share), в том числе и документация в иных форматах.

Ветвь /opt

Каталог /opt предусмотрен стандартом FHS, но реально используется не во всех дистрибутивах Linux, а в BSD-системах и вовсе отсутствует. Тем не менее, все больше программ пишется в рассчете на умолчальную инсталляцию именно в него.

Исторически каталог /opt предназначался в Linux для коммерческих приложений и всякого рода программ не вполне свободного характера. Ныне же его назначение — размещение больших самодостаточных программных комплексов, таких, как библиотека Qt, KDE со всеми его компонентами и приложениями, OpenOffice.org и тому подобных. Структура каталога должна быть такой: /opt/pkg_name . Вот как выглядит она а в моей системе (Archlinux):

$ ls -1 /opt gnome/ kde/ OpenOffice.org1.1.2/ qt/

Каждый из подкаталогов имеет собственную внутреннюю структуру:

$ ls -1 /opt/* /opt/gnome: bin/ lib/ man/ share/ /opt/kde: bin/ etc/ include/ lib/ share/ /opt/OpenOffice.org1.1.2: help/ LICENSE LICENSE.html program/ README README.html setup@ share/ spadmin@ THIRDPARTYLICENSEREADME.html user/ /opt/qt: bin/ doc/ include/ lib/ mkspecs/ phrasebooks/ plugins/ templates/ translations/

Назначение подкаталогов внутри /opt/pkg_name легко угадывается по аналогии с /usr и /usr/local . Например /opt/kde/bin предназначается для исполнимых файлов системы KDE и ее приложений, /opt/kde/etc — для конфигурационных ее файлов, /opt/kde/include — для файлов заголовков, /opt/kde/lib — для библиотек и /opt/kde/share — для разделяемых файлов, в том числе и документации. В KDE нет документации в man-формате, если же она имеется, то (как в случае Gnome — я его не ставил, это то, что потянули Gimp и тому подобные Gtk-приложения) можно видеть подкаталог /opt/pkg_name/man .

Можно видеть, что структура каталога /opt отступает от исторически сложившейся (и внутренне обоснованной POSIX-традиции объединения в каталоги однотипных компонентов — исполняемых файлов, библиотек и так далее. И при большом количестве инсталлированных в него программ создает определенные трудности: приходится либо перегружать значениями переменную $PATH , обеспечивающую быстрый доступ к командам (о чем будет говориться в главе 12), либо создавать специальный каталог /opt/bin и помещать в него символические ссылки на исполняемые бинарники программ. Поэтому в ряде дистрибутивов Linux (например, в CRUX) каталог /opt не используется принципиально. Как, впрочем, и во всех BSD-системах. Вполне возможно, что так оно и лучше…

Ветвь /var

Как явствует из названия, каталог /var предназначен для хранения изменяемых файлов, генерируемых в ходе нормальной жизнедеятельности различных программ — программных (например, браузерных) кэшей, log-файлов, спулинга печати и почтовых систем, почтовых ящиков, описаний запущенных процессов и так далее. В частности, именно в каталог /var помещаются так называемые дампы — слепки состояния оперативной памяти, генерируемые при аварийном завершении работы для выявления причин оного. Отличительная особенность всех этих компонентов — их изменчивый в процессе сеанса работы характер и то, что они, тем не менее, должны сохраняться при перезагрузке системы.

Внутренняя структура /var очень сильно меняется от системы к системе, и поэтому на деталях ее устройства я задерживаться не буду. Замечу только, что этот каталог — логичное место для помещения компонентов всякого рода портообразных систем управления пакетами, как это сделано, например, в дистрибутиве Archlinux, где под нее отведен подкаталог /var/abs (abs — Archlinux Building System).

Каталог /mnt

Каталог /mnt предназначен для монтирования временно используемых файловых систем, располагающихся, как правило, на сменных носителях. В всежеустановленной системе он обычно пуст, и структура его никак не регламентирована. Пользователю вольно создать в нем подкаталоги для отдельных видов носителей. Например, в моей системе это /mnt/cd , /mnt/dvd , /mnt/usb и /mnt/hd — для дисков CD, DVD, флэшки и съемного винчестера.

Во FreeBSD штатными каталогами для монтирования CD и дискет являются /cdrom и /floppy непосредственно в корневом каталоге. Что не вполне согласуется со стандартом, но по своему логично — в корень вынесены точки монтирования устройств, существующих (как CD ROM) или до недавнего времени существовавших (флоппи-дисковод) в любой машине.

Ветвь /home

Каталог /home предназначен для помещения домашних каталогов пользователей. Содержимое его никак не регламентировано, но обычно он имеет вид вроде /home/{username1,...,username#} . Хотя в крупных системах с большим количеством пользователей их домашние каталоги могут быть объединены в группы.

В каталоге /home могут располагаться домашние каталоги не только реальных, но и некоторых виртуальных пользователей. Так, если машина используется в качестве web- или ftp-сервера, можно видеть такие подкаталоги, как /home/www или /home/ftp , соответственно.

Ветвь /tmp

Осталось поговорить только о каталоге для хранения временных файлов — /tmp . Как и компоненты /var , они генерируются различными программами в ходе нормальной их жизнедеятельности. Но, в отличие от /var , для компонентов /tmp не предполагается их сохранения вне текущего сеанса работы. Более того, все руководства по системному администрированию рекомендуют регулярно (например, при рестарте машины) или периодически очищать этот каталог. И потому в качестве /tmp целесообразно монтировать файловые системы в оперативной памяти — tmpfs (в Linux) или mfs (во FreeBSD). Кроме того, что это гарантирует очистку его содержимого при перезагрузке, так еще и способствует быстродействию, например, компиляции программ, временные продукты которой не записываются на диск, а помещаются в виртуальный каталог типа /tmp/obj .

Во многих системах можно увидеть каталоги вроде /usr/tmp и /var/tmp . Это, как правило, символические ссылки на /tmp .

Стратегия разделения файловых систем

В заключение разговора о файловой иерархии следует подчеркнуть, что гарантированно на одной файловой системе (фигурально говоря, на одном дисковом разделе, хотя это и не совсем точно) должны находиться только каталоги, перечисленные в параграфе Корневая файловая система . Все же прочие каталоги — /usr , /opt , /var , /tmp и, конечно же, /home могут представлять точки монтирования самостоятельных файловых систем на отдельных физических носителях или их разделах.

Более того, в локальной сети каталоги эти вполне могут располагаться даже на разных машинах. Так, один компьютер, выполняющий роль сервера приложений, может содержать разделяемые в сети каталоги /usr и /opt , другой — файл-сервер, — вмещать все домашние каталоги пользователей, и так далее.

Осталось только решить — какие файловые системы целесообразно вычленить из общего файлового древа, и зачем это делать. Ответ на эти вопросы очень сильно зависит от используемой ОС, а в случае с Linux — еще и от его дистрибутива. Тем не менее, общие принципы отделения файловых систем наметить можно. Для чего следует вспомнить о противопоставлении, с одной стороны, неизменяемых и изменяемых каталогов, с другой — легко восстановимых, трудно восстановимых и практически невосстановимых данных. Проделаем такую попытку применительно к пользовательскому десктопу — в случае сервера рассчеты будут существенно иными.

Очевидно, что корневая файловая система в составе каталогов /bin , /boot , /etc , /root , /sbin , содержащих легко восстановимые с дистрибутивного носителя и практически не изменяемые данные, должны лежать на изолированном дисковом разделе. В Linux к ним должен добавиться еще и каталог /lib . С другой стороны, при использовании в качестве загрузчика GRUB (вне зависимости от операционной системы) рекомендуется вынести на отдельный раздел каталог /boot .

В старых источниках о Linux можно прочитать о другом резоне к выделению раздела для каталога /boot , причем в самом начале диска: из-за невозможности загрузки ядра программой Lilo с цилиндра номером выше, чем 1023. В современных версиях загрузчиков таких ограничений нет. Тем не менее, если уж раздел под /boot создается, резонно сделать его первым на диске, а непосредственно за ним разместить раздел подкачки: это добавит пять копеек быстродействия при осуществлении своппинга.

И еще из области истории: требование, чтобы корневой и загрузочный разделы были непременно первичными, также давно снято. И эти файловые системы вполне могут помещаться на логических разделах внутри Extended Partition.

Столь же ясно, что изменяемые ветви файловой системы — каталоги /var и /tmp , — должны быть вынесены за пределы корневого раздела. Причем последний, как неоднократно говорилось ранее, вообще целесообразно разместить на файловой системе в оперативной памяти (tmpfs или mfs). В случае, если каталог /var содержит подкаталоги для портообразных систем пакетного менеджмента, подобно /var/abs , /var/cache/pacman/src и /var/cache/pacman/pkg в Archlinux, они также должны образовывать самостоятельные файловые системы

Теперь — каталог /usr , содержащий либо компоненты базовой системы (как в BSD), либо — основную массу пользовательских приложений (как в большинстве дистрибутивов Linux). Он содержит легковосстановимые данны и, по хорошему, должен бы быть практически неизменяемым, и потому, безусловно, заслуживает выделения на самостоятельном разделе. Причем из его состава целесообразно вычленить, с одной стороны, подкаталоги /usr/X11R6 и /usr/local , с другой — подкаталоги для портообразных систем пакетного менеджмента: /usr/ports , /usr/pkgsrc и /usr/pkg в BSD-системах, /usr/portages в Gentoo Linux, и так далее. Причем от последних следует обособить подкаталоги для помещения исходников, скачиваемых из сети при сборке портов — /usr/ports/distfiles , /usr/pkgsrc/disfiles , /usr/portages/distfiles и подобные им.

В BSD-системах, кроме этого, из каталога /usr имеет смысл выделить подкаталоги /usr/src и /usr/obj , содержащие исходные тексты базовых компонентов (включая ядро) и промежуточные продукты их компиляции, образумемые в результате процедур make buildworld и make buildkernel .

И, наконец, каталог /home , содержащий изменяемые и часто невосстановимые данные, подлежит вынесению из корня файловой иерархии в обязательном порядке. Причем я всегда стараюсь разместить его либо на отдельном слайсе (в BSD), либо на первичном разделе (в Linux).

Предложенная схема разделения файловых систем может показаться излишне усложненной. Однако она дает гарантию обособления легко восстановимых, трудно восстановимых и невосстановимых данных, что облегчит переустановку системы в случае крайней необходимости, и даже миграцию с системы на систему.

Дополнительный ее плюс — в том, что для отдельных ветвей файлового древа, в зависимости от характера размещенных на ней данных, в Linux можно подобрать физически оптимальную файловую систему. Например, для раздела под /boot нет смысла использовать что-либо помимо Ext2fs. Корневой раздел обычно рекомендуется форматировать в надежной и при этом наиболее совместимой Ext3fs. Под каталоги с огромным количеством мелких файлов, такие, как /var/abs в Archlinux, /usr/portages в Gentoo, целесообразно задействовать ReiserFS: ведь умелое обращение с мелкими файлами — это ее профиль. А в каталоге /home , где возможно появление огромных мультимедийных файлов (и который сам по себе обычно очень велик), ко двору может прийтись XFS (хотя, как показывают измерения, и ReiserFS выглядит тут вполне достойно). Такие меры могут способствовать повышению и надежности хранения данных, и быстродействию файловых операций.

Пользователи BSD-операционок безальтернативно привязаны к файловым система типа FFS. Однако и у них есть пространство для маневра. Во-первых — за счет варьирования размеров блока и фрагмента отдельных файловых систем, способствующего либо производительности дисковых операций, либо экономии дискового пространства. А во-вторых, некоторые ветви файлового древа (такие, как /tmp или /usr/obj , вопреки рекомендациям, можно безбоязненно монтировать в чисто асинхронном режиме, выиграв на этом процент-другой производительности.

POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments - незави­симый от платформы системный интерфейс для компьютерного окружения) - это стандарт IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - институт инже­неров по электротехнике и радиоэлектронике), описывающий системные интер-

" В данном контексте под системными командами следует понимать некий набор программ, позволя­ющих управлять вычислительными процессами, например pstat, kill, dir и др.

Интерфейс POSIX___________________________________________________ 305

фейсы для открытых операционных систем, в том числе оболочки, утилиты и ин­струментарии. Помимо этого, согласно POSIX, стандартизированными являются задачи обеспечения безопасности, задачи реального времени, процессы админист­рирования, сетевые функции и обработка транзакций. Стандарт базируется на UNIX-системах, но допускает реализацию и в Других операционных системах.

Интерфейс POSIX начинался как попытка пропаганды институтом IEEE идей переносимости приложений в UNIX-средах путем разработки абстрактного неза­висимого от платформы стандарта. Однако POSIX не ограничивается только UNIX-системами; существуют различные реализации этого стандарта в системах, которые соответствуют требованиям, предъявляемым стандартом IEEE Standard 1003.1-1990 (POSIX. 1). Например, известная ОС реального времени QNX соответствует спецификациям этого стандарта, что облегчает перенос приложений в эту систе­му, но UNIX-системой не является ни в каком виде, ибо ее архитектура использу­ет абсолютно иные принципы.

Этот стандарт подробно описывает систему виртуальной памяти (Virtual Memory System, VMS), многозадачность (Multiprocess Executing, МРЕ) и технологию пе­реноса операционных систем (CTOS). Таким образом, на самом деле POSIX пред­ставляет собой множество стандартов POSIX. 1-POSIX. 12. В табл. 9.1 перечисле­ны основные направления, описываемые данными стандартами. Следует также особо отметить, что в POSIX. 1 основным языком описания системных функций API предполагается язык С.

Таблица 9.1. Семейство стандартов POSIX

Стандарт Стандарт ISO Краткое описание

POSIX.0 Нет Введение в стандарт открытых систем. Данный документ

не является стандартом в чистом виде, а представляет собой рекомендации и краткий обзор технологий

POSIX.1 Да Системный интерфейс API (язык С)

POSIX.2 Нет Оболочки и утилиты (одобренные IEEE)

POSIX.3 Нет Тестирование и верификация

POSIX.4 Нет Задачи реального времени и потоки выполнения

POSIX.5 Да Использование языка ADA применительно

к стандарту POSIX. 1

POSIX.6 Нет Системная безопасность

POSIX.7 Нет Администрирование системы

POSIX.8 Нет Сети, «прозрачный» доступ к файлам, абстрактные

сетевые интерфейсы, не зависящие от физических протоколов, вызовы RPC, связь системы с приложениями, зависящими от протокола

POSIX.9 Да Использование языка Fortran, применительно

к стандарту POSIX. 1

POSIX. 10 Нет Super-computing Application Environment Profile (AEP)

POSIX. 11 Нет Обработка транзакций AEP

POSIX. 12 Нет Графический интерфейс пользователя (GUI)

306______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем

Таким образом, программы, написанные с соблюдением данных стандартов, бу­дут одинаково выполняться на всех POSIX-совместимых системах. Однако стан­дарты отчасти носят всего лишь рекомендательный характер. Часть стандартов описана очень строго, тогда как другая часть только поверхностно раскрывает основные требования. Нередко программные системы заявляются как POSIX-совместимые, хотя таковыми их назвать нельзя. Причины кроются в формальном подходе к реализации интерфейса POSIX в различных операционных системах. На рис. 9.1 изображена типовая схема реализации строго соответствующего POSIX приложения.

Рис. 9.1. Схема реализации приложения, строго соответствующего стандарту POSIX

Из рисунка видно, что для взаимодействия с операционной системой программа использует только библиотеки POSIX. 1 и стандартную библиотеку RTL языка С, в которой возможно использование только 110 различных функций, также опи­санных стандартом POSIX. 1.

К сожалению, достаточно часто с целью увеличения производительности той или иной подсистемы либо для введения фирменных технологий, которые ограни­чивают область применения приложения соответствующей операционной сре­дой, при программировании используются другие функции, не отвечающие стан­дарту POSIX.

Реализации стандарта POSIX на уровне операционной системы различны. Если UNIX-системы в своем абсолютном большинстве изначально соответствуют спецификациям IEEE Standard 1003.1-1990, то WinAPI не является POSIX-совместимым. Однако для его поддержки в операционной системе Windows NT введен специальный модуль API для поддержки стандарта POSIX, работаю­щий на уровне привилегий пользовательских процессов. Данный модуль обес­печивает преобразование и передачу вызовов из пользовательской программы к ядру системы и обратно, работая с ядром через WinAPI. Прочие приложения, написанные с использованием WinAPI, могут передавать информацию POSIX приложениям через стандартные механизмы потоков ввода-вывода stdin и stdout .

Примеры программирования для разных интерфейсов API____________________ 307

Примеры программирования для разных интерфейсов API

Для наглядной демонстрации принципиальных различий интерфейсов API наи­более популярных современных операционных систем для персональных ком­пьютеров рассмотрим простейший пример, в котором необходимо подсчитать количество пробелов в текстовых файлах, имена которых должны указываться в ко­мандной строке. Рассмотрим два варианта программы: для Windows (с использо­ванием WinAPI) и для Linux (POSIX API).

Поскольку нас интересует работа с параллельными задачами, пусть при выполне­нии программы для каждого из перечисленных в командной строке файлов созда­ется свой процесс или поток выполнения (задача), который параллельно с други­ми процессами (потоками) производит работу по подсчету пробелов в «своем» файле. Результатом работы программы будет являться список файлов с подсчи­танным количеством пробелов для каждого.

Следует обратить особое внимание на то, что приведенные ниже реализации про­грамм решения данной задачи не являются единственно возможными. В обеих рассматриваемых операционных системах существуют разные методы работы с файловой системой и управления процессами. В данном случае рассматривается только один, но наиболее характерный для соответствующего интерфейса API ва­риант.

Для того чтобы было удобнее сравнивать эту (листинг 9.1) и следующую (лис­тинг 9.2) программы, а также учитывая, что задача не требует для своего решения оконного интерфейса, в тексте использованы только те вызовы API, которые не затрагивают графический интерфейс. Конечно, нынче редко какое приложение не использует возможностей GUI, но зато в нашем случае сразу можно увидеть раз­ницу в организации параллельной работы запускаемых вычислений.

Большие различия в спецификациях ОСРВ и огромное количество существующих микроконтроллеров выдвигают на передний план проблему стандартизации в области систем реального времени.

Наиболее ранним и распространенным стандартом ОСРВ является стандарт POSIX (IEEE Portable Operating System Interface for Computer Environments, IEEE 1003.1). Первоначальный вариант стандарта POSIX появился в 1990 г. и был предназначен для UNIX-систем, первые версии которых появились в 70-х годах прошлого века. Спецификации POSIX определяют стандартный механизм взаимодействия прикладной программы и операционной системы и в настоящее время включают набор более чем из 30 стандартов. Для ОСРВ наиболее важны семь из них (1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h), но широкую поддержку в коммерческих ОС получили только три первых.

Несмотря на явно устаревшие положения стандарта POSIX и большую востребованность обновлений стандартизации для ОСРВ, заметного продвижения в этом направлении не наблюдается.

Стандарт POSIX был создан как стандартный интерфейс сервисов операционных систем. Этот стандарт дает возможность создавать переносимые приложения. Впоследствии этот стандарт был расширен особенностями режима реального времени.

Спецификации POSIX задают стандартный механизм взаимодействия приложения и ОС. Необходимо отметить, что стандарт POSIX тесно связан с ОС Unix, тем не менее, разработчики многих ОСРВ стараются выдержать соответствие этому стандарту.

Соответствие стандарту POSIX для ОС и аппаратной платформы должно быть сертифицировано с помощью прогона на них тестовых наборов. Однако, если ОС не является Unix-подобной, выдержать это требование становится непростой задачей. Тестовые наборы существуют только для POSIX 1003.1a. Поскольку структура POSIX является совокупностью необязательных возможностей, поставщики ОС могут реализовать только часть стандартного интерфейса, и при этом говорить о POSIX-комплиантности своей системы.

Несмотря на то, что стандарт POSIX вырос из Unix"а, он затрагивает основополагающие абстракции операционных систем, а расширения реального времени применимы ко всем ОСРВ.

Название Posix образовано от «Portable Operating System Interface», что означает приблизительно «интерфейс переносимых операционных систем». Это не один стандарт, а целое семейство, разработанное Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute for Electrical and Electronics Engineers - IEEE). Стандарты Posix были также приняты в качестве международных стандартов ISO (International Organization for Standardization, Международная организация по стандартизации) и IEC (International Electrotechnical Commission, Международная электротехническая комиссия), или ISO/IEC. Стандарты Posix прошли несколько стадий разработки.

Стандарт IEEE 1003.1-1988 (317 страниц) был первым стандартом Posix. Он определял интерфейс взаимодействия языка С с ядром Unix-типа в следующих областях: примитивы для реализации процессов (вызовы fork, exec, сигналы и таймеры), среда процесса (идентификаторы пользователей, группы процессов), файлы и каталоги (все функции ввода-вывода), работа с терминалом, базы данных системы (файлы паролей и групп), форматы архивов tar и cpio.

ПРИМЕЧАНИЕ

Первый стандарт Posix вышел в рабочем варианте под названием IEEEIX в 1986 году. Название Posix было предложено Ричардом Штолманом (Richard Stallman).

Затем вышел стандарт IEЕЕ 1003.1-1990 (356 страниц). Он одновременно являлся и международным стандартом ISO/IEC 9945-1:1990. По сравнению с версией 1988 года изменения в версии 1990 года были минимальными. К заголовку было добавлено: «Part 1: System Application Program Interface (API) » («Часть 1: Системный интерфейс разработки программ (API) [Язык С])», и это означало, что стандарт описывал программный интерфейс (API) языка С.

IEEE 1003.2-1992 вышел в двух томах общим объемом около 1300 страниц, и его заголовок содержал строку «Part 2: Shell and Utilities» (Часть 2: «Интерпретатор и утилиты»). Эта часть определяла интерпретатор (основанный на Bourne shell в Unix System V) и около ста утилит (программ, обычно вызываемых из интерпретатора - от awk и basename до vi и уасс). В настоящей книге мы будем ссылаться на этот стандарт под именем Posix. 2.

IEEE 1003.1b-1993 (590 страниц) изначально был известен как IEEE P1003.4. Этот стандарт представлял собой дополнение к стандарту 1003.1-1990 и включал расширения реального времени, разработанные рабочей группой Р1003.4: синхронизацию файлов, асинхронный ввод-вывод, семафоры, управление памятью, планирование выполнения (scheduling), часы, таймеры и очереди сообщений.

IEEE 1003.1, издание 1996 года (743 страницы), включает 1003.1-1990 (базовый интерфейс API), 1003.1b-1993 (расширения реального времени), 1003.1-1995 (Pthreads - программные потоки Posix) и 1003.1i-1995 (технические поправки к 1003.1b). Этот стандарт также называется ISO/IEC 9945-1: 1996. В него были добавлены три главы о потоках и дополнительные разделы, касающиеся синхронизации потоков (взаимные исключения и условные переменные), планирование выполнения потоков, планирование синхронизации. В настоящей книге мы называем этот стандарт Posix.1.

ПРИМЕЧАНИЕ

Более четверти из 743 страниц стандарта представляли собой приложение, озаглавленное «Rationale and Notes» («Обоснование и примечания»). Это обоснование содержит историческую информацию и объяснение причин, по которым некоторые функции были или не были включены в стандарт. Часто обоснование оказывается не менее полезным, чем собственно стандарт.

К сожалению, стандарты IEEE не являются свободно доступными через Интернет. Информация о том, где можно заказать книгу, дана в библиографии под ссылкой . Обратите внимание, что семафоры были определены в стандарте расширений реального времени, отдельно от взаимных исключений и условных переменных (которые были определены в стандарте Pthreads), что объясняет некоторые различия в интерфейсах API этих средств.

Наконец, заметим, что блокировки чтения-записи не являются частью стандартов Posix. Об этом более подробно рассказано в главе 8.

В будущем планируется выход новой версии IEEE 1003.1, включающей стандарт P1003.1g, сетевые интерфейсы (сокеты и XTI), которые описаны в первом томе этой книги.

В предисловии стандарта Posix.1 1996 года утверждается, что стандарт ISO/IEC 9945 состоит из следующих частей:

1. Системный интерфейс разработки программ (API) (язык С).

2. Интерпретатор и утилиты.

3. Администрирование системы (в разработке).

Части 1 и 2 представляют собой то, что мы называем Posix.1 и Posix.2.

Работа над стандартами Posix постоянно продолжается, и авторам книг, с ними связанных, приходится заниматься стрельбой по движущейся мишени. О текущем состоянии стандартов можно узнать на сайте http://www.pasc.org/standing/sd11.html.

В курсе рассматривается стандарт на мобильный интерфейс операционной системы (POSIX), а также приемы и методы программирования приложений на основе данного стандарта, поясняемые многочисленными примерами. Затрагиваются вопросы программирования многопроцессных систем, взаимодействия приложений в рамках распределенных конфигураций. Обеспечение мобильности (переносимости, портабельности) программного обеспечения (ПО) - задача исключительной важности и сложности; в наше время это обстоятельство едва ли нуждается в пространных обоснованиях Один из общепринятых способов повышения мобильности ПО - стандартизация окружения приложений: предоставляемых программных интерфейсов, утилит и т.п. На уровне системных сервисов подобное окружение описывает стандарт POSIX (Portable Operating System Interface - мобильный интерфейс операционной системы); название предложил известный специалист, основатель Фонда свободного программного обеспечения Ричард Столмэн.

В курсе рассматривается наиболее современная его версия в редакции 2003 г., которую можно назвать "стандартом втройне", а именно: стандартом IEEE Std 1003.1, Техническим стандартом Open Group и, что для нас важнее всего, международным стандартом ISO/IEC 9945. Основная задача настоящего курса состоит в осмыслении приемов и методов использования стандартизованных служебных программ и функций. Не ставилась цель пересказать стандарт, осветив все тонкости реализации ОС, все возможные коды ошибок и т.п. Главное, на наш взгляд, -прочувствовать дух стандарта, научиться мобильным образом применять заложенные в нем возможности. В предположении, что читатель владеет языком С, мы не рассматривали ни его синтаксис, ни хрестоматийные библиотечные функции. Что же касается стандартного командного языка и его интерпретатора, то эта тема изложена довольно подробно, хотя многие практикующие программисты предпочитают пользоваться другими интерпретаторами. Значительное место - и по объему, и по роли - отведено примерам программ. Многие положения стандарта (связанные, скажем, с обработкой ошибочных ситуаций) излагаются не в основном тексте, а в соответствующих примерах Последние по возможности компилировались и выполнялись на нескольких аппаратно-программных платформах, в той или иной степени претендующих на соответствие стандарту POSIX. Тем не менее, недосмотры, конечно, возможны. Мы будем признательны за все замечания и предложения, относящиеся как к курсу в целом, так и к отдельным примерам программ.

История создания и текущий статус стандарта POSIX.

Обеспечение мобильности (переносимости, портабельности) программного обеспечения (ПО) - задача исключительной важности и сложности; в наше время это обстоятельство едва ли нуждается в пространных обоснованиях. Один из общепринятых способов повышения мобильности ПО - стандартизация окружения приложений: предоставляемых программных интерфейсов, утилит и т.п. На уровне системных сервисов подобное окружение описывает стандарт POSIX (Portable Operating System Interface - мобильный интерфейс операционной системы); название предложено известным специалистом, основателем Фонда свободного программного обеспечения Ричардом Столмэном.

Титульная страница.
Выходные данные.
Лекция 1. Основные понятия и идеи стандарта POSIX.
Лекция 2. Язык shell.
Лекция 3. Утилиты и функции, обслуживающие понятие "пользователь".
Лекция 4. Организация файловой системы.
Лекция 5. Файловый ввод/вывод.
Лекция 6. Средства обработки структурированных данных.
Лекция 7. Процессы.
Лекция 8. Средства межпроцессного взаимодействия.
Лекция 9. Общий терминальный интерфейс.
Лекция 10. Опрос характеристик хостов и их использование в приложениях.
Лекция 11. Сетевые средства.
Лекция 12. Время и работа с ним.
Лекция 13. Языково-культурная среда.
Лекция 14. Заключение.
Список литературы.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Программирование в стандарте POSIX, часть 1, Галатенко В.А., 2016 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.