さて、計算機システム概論もいよいよフィナーレが近づいてきました。

今回からは、ファイルシステムの章に突入します。

計算機システム概論第２８回「デバイスとファイルの管理：ファイルシステム」 - YouTube

本記事は↑の動画の学習メモです。

ファイルシステムとは
- もしも、ファイルシステムがなかったら
  - ファイルシステムの種類
デバイスの領域
ファイルシステムの機能と機構
- ジャーナリングファイルシステム
- クォータ
まとめ
参考

ファイルシステムとは

まずは、ファイルシステムの定義の前にコンピュータシステムにおいてデータに対してどのようなことを実現しなければならないか？について、整理しましょう。

データに対する要求は以下の３点です。

大量のデータを保持できること
データはそれを利用したプロセスが失われても残ること
他の複数のプロセスからも利用できること

このような要求がある「データ」を管理する仕組みがファイルシステムです。

前々回で登場したブロック型デバイスを対象としています。

もしも、ファイルシステムがなかったら

ファイルシステム、普段から普通に使っているので、その恩恵を感じることありませんよね。

ここで「ファイルシステムがもしもなかったら」という世界を書いて、ファイルシステムの素晴らしさを感じて見たいと思います。

ファイルシステムがもしもなかったら、、

データのWrite処理の際には、ストレージデバイス上のどのメモリ位置に保存するかを自分で決める必要がある。
データのRead処理の際には、データの保存したメモリ番地やサイズを覚えておく必要がある

という感じになります。

日常生活では、本とか鍵とか服とかの場所を自分で覚えておいて取り出すってことをやってますが、その面倒なことをやってくれてるんですね。

ファイルシステムの種類

ちなみに、ファイルシステムには種類があります。

Linuxでは、ext4,XFS, Berfsというファイルシステムがあるそうで、それぞれ特徴があります。どのファイルシステムが一番優れているか？といった序列はなく、一長一短らしい。

MacOSではAPFS。

デバイスの領域

では、続いて内部的な話に入っていきましょう。ディスク領域は以下のような構造になっています。

講義スライドから引用

ディスク全体

まずは、ディスク全体の構造から理解していきます。

MBP

ディスク全体の先頭のブロックは、MBPです。

MBPは、master boot recordです。

MBPには、PCが起動するためのプログラムが格納されており、電源が入ると最初に読み込まれます。

master boot record、その名の通りですね。

パーティションテーブル

MBRの次に位置しているのは、パーティションテーブルです。

パーティションテーブルには、それぞれのパーティションの位置情報が格納されています。

BIOS

master boot recordの話が出たので、周辺知識も整理しておきます。

BIOSとは、PCが電源をいれて最初に実行されるプログラムでファームウェアを呼ばれます。

BIOSとは、Basic Input Output Systemの頭文字ですね。

では、BIOSの実行をステップを踏みながら見ていきましょう。

PCの電源ON
CPUがBIOSに格納されたマシン語を実行する
BIOSがストレージの中のMBRを探索
MBR、約512Mをメモリにロード。メモリのアドレス0にロード
CPUは、BIOSの実行を中断
MBRから順次必要はプログラムをメモリにロード

という流れで起動されます。システムの起動の流れを追うと、MBRの役割がより明確になりましたね。

パーティション

続いては、パーティション内部にも入っていきましょう。

ブートブロック

パーティションの最初のセクタは、ブートブロックといってOSを呼び出すためのプロセスが含まれたプログラムが置かれる。

その名の通り、起動用のブロック。

スーパーブロック

スーパーブロックは、ファイルシステムの属性情報、ファイルシステムの種類などの重要なパラメータがすべて含まれている。

inode

inode領域は、ファイルの情報のメタデータが格納されている。

unix-v6/ino.h at master · hephaex/unix-v6 · GitHub

/*
 * Inode structure as it appears on
 * the disk. Not used by the system,
 * but by things like check, df, dump.
 */
struct  inode
{
    int i_mode;
    char    i_nlink;
    char    i_uid;
    char    i_gid;
    char    i_size0;
    char    *i_size1;
    int i_addr[8];
    int i_atime[2];
    int i_mtime[2];
};

inode構造体には、

i_size0（ファイルサイズ）
i_addr[8]（ストレージのブロック番号）

などが定義されている。

さらに、i_modeには、

/* modes */
#define     IFDIR   040000　ディレクトリかどうか
#define     IFCHR   020000　キャラクタスペシャルファイルかどうか
#define     IFBLK   060000　ブロックスペシャルファイルかどうか
#define ILARG   010000
#define ISUID   04000
#define ISGID   02000
#define ISVTX   01000
#define IREAD   0400　読み込みパーミッション
#define IWRITE  0200　書き込みパーミッション
#define IEXEC   0100　実行パーミッション

などの情報を持っている。