Fichiers, systèmes de fichiers¶

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Ce cours a été automatiquement traduit des transparents de M.Noyer par Félix qui continue le travail fait par Lorentzo et Elowan et Mehdi, nous ne nous accordons en aucun cas son travail, ce site à pour seul but d'être plus compréhensible pendant les périodes de révision que des diaporamas.

Crédits

Un cours du site Malekal
Un cours de Eric Thirion ici

Présentation¶

Introduction¶

La RAM est volatile. Mais les codes et les données des programmes stockés dans la mémoire centrale (et en particulier ceux du systèmes d'exploitation) ont besoin d'être conservé au delà de l'arrept de l'ordinateur.

C'est le rôle du système de gestion de fichiers qui assure la conservation des données sur un support de masse non volatile (disque dur, DVD, clé USB...).

Le système d'exploitation offre à l'utilisateur une interface de stockage indépendante des propriétés physiques des supports de conservation. Son unité de base est le fichier.

Le concept de fichier présente deux niveaux :

le fichier logique représente les données incluses dans le fichier telles qu'elles sont vues par l'utilisateur;
le fichier physique représente le fichier tel qu'il est alloué physiquement sur la mémoire de masse.

Le système d'exploitation gère ces deux niveaux et assure la correspondance entre eux via la notion de répertoire

Qu'est-ce qu'un fichier¶

Fichier

Un fichier est un ensemble de données numériques réunies sous un même nom, enregistré sur un suport de stockage permanent appelé mémoire de masse (ex : disque dur, clé USB, mémoire flash etc...).

Afin de faciliter leur organisation, les fichiers sont disposés dans des systèmes de fichiers qui permettent de les placer dans des emplacements appelés répertoires eux-même organisés selon le même principe. On obtient alors une hierarchie arborescente.

Un fichier possède toujours (au moins) un nom qui sert à désigner le contenu pour l'utilisateur humain et à y accéder. Le système, lui, utilise plutôt un numéro d'inode.

Chaque fichier possède en outre des métadonnées (des informations sur le fichier lui-même) comme sa longueur, son auteur, les personnes autorisées à le manipuler ou la date de dernière modification.

Opértation sur les fichiers¶

Fichier logique¶

Correspond à la vue que l'utilisateur a de la conservation de ces données :

C'est un type de données standard défini dans les langages de programmation que l'on peut créer, ouvrir, fermer, détruire. Les opérations de créations et de fermeture effectuent la liaison du fichier logique avec le fichier physique. Les opérations de destruction et de fermeture rompent cette liaison.
C'est également un ensemble d'enregistrements (ou articles) sur le modèle des structures en C.

Opérations¶

Les langages de programmation permettent de :

créer des fichiers
enregistrer des informations dans un fichier (c'est l'accès en écriture)
lire des informations dans un fichier (c'est l'accès en lecture).
Que ce soit en lecture ou en écriture, il y a deux façons d'accéder au contenu d'un fichier
- accès séquentiel
- et accès direct

Séquence de manipulation des fichiers¶

Ouvrir le fichier : on informe le système que l'on a l'intention d'accèder au fichier. C'est ici que peuvent survenir les erreurs d'accès.
Lire des informations / Ecrire des informations
Fermer le fichier. On informe le système que le programm a fini d'utiliser le fichier. Un autre programme ou un autre utilisateur pourra donc y accéder à son tour.
Quand on accède en écriture à un fichier qui n'existe pas, le système le crée. En revanche l'accès en lecture à un fichier qui n'existe pas soulève une erreur.

Erreurs d'accès¶

Le système d'exploitation peut refuser l'accès à un fichier pour diverses raisons :

accès en lecture à un fichier qui n'existe pas,
accès en lecture sur un fichier dont on n'a pas les droits (ce fichier appartient à un autre utilisateur)
accès en écriture sur un fichier alors qu'on n'a pas le droit d'écriture dessus.
accès en écriture sur un fichier alors qu'un autre utilisateur est en train de l'exploiter (en lecture ou écriture),
accès en écriture sur un fichier alors que le périphérique qui le contient est plein.
quand on essaye d'accèder à une ligne après la dernière ligne du fichier.

Cette liste n'est pas exhaustive.

Accès séquentiel¶

Dans l'accès séquentiel, une opération de lecture ou d'écriture se fait toujours juste après la dernière partie du fichier lue ou écrite (voir figure \(1\) ci-dessous).

Les fichiers texte n'autorisent que ce type d'accès.
Les fichiers structurés autorisent les deux types d'accès (séquentiel ou direct).

Figure 1 – Accès séquentiel : on accède au \(53\)ème élément \(\underline{\textsf{après}}\) le \(52\)ème. (d'après E. Thirion)

Accès direct¶

L'accès direct n'est possible que pour les fichiers dits structurés : ils sont définis comme une suite de blocs de taille fixe que l'on appelle enregistrements. (voir figure \(2\) ci-dessous).

Le terme "accès direct" signifie qu'il est possible d'accéder directement à un enregistrement à partir de sa position dans le fichier : par exemple lire (ou modifier) le \(53\)ème enregistrement du fichier ou le modifier sans avoir lu ou modifié ceux qui précèdent.

Figure 2 – Accès direct : on accède au \(53\)ème enregistrement \(\underline{\textsf{directement}}\) sans passer par les précédents. (d'après E. Thirion)

Manipuler un fichier texte¶

L'accès se fait en lecture ou en écriture mais (en général) pas les deux. Deux options pour le mode écriture : écriture au début (donc avec écrasement du contenu) ou bien, à la fin, en conservant le contenu précédent (dans ce cas, on parle de mode ajout).

On accède aux informations séquentiellement, le "grain" de la séquence étant soit la ligne soit le caractère. On indique ici ce qu'il se passe dans le mode par ligne :

Après l'ouverture du fichier en lecture on accède à sa première ligne. Le contenu d'une ligne est recopié dans une variable de type chaîne de caractères pour un usage immédiat ou ultérieur. Dès qu'une ligne \(i\) est lue, un "curseur" se déplace dans le fichier pour accéder à la ligne suivante.
Après l'ouverture en écriture, on accède aussi à la première ligne. On peut alors écrire dans cette ligne une chaîne de caractère (par exemple, le contenu d'une variable). Puis on passe à la seconde ligne si on décide d'en ajouter une etc.

Partitions périphériques¶

Présentation¶

Partition

Une partition est une section d'un support de stockage (disque dur, SSD, carte-mémoire...).

Partitionnement

Le partitionnement est l'opération qui consiste à diviser ce support en partitions dans lesquelles le système d'exploitation peut gérer les informations de manière séparée, généralement en y créant un système de fichiers, une manière d'organiser l'espace disponible.

Faux ami

Le sens mathématique est différent.

Figure 3 – Exemple schématique de partitionnement d'un support mixtebLinux/Windows, avec des liens entre les partitions (Wikipedia)

Périphériques¶

Périphérique

Un périphérique est un matériel (physique) connecté à l'unité centrale d'un ordinateur : disque, souris, écran, réseau... Les périphériques sont repérables par un nom dans l'arborescence (sous /dev).

Pilote de périphérique/ Driver

Un pilote de périphériques ou driver est une fonction du système d'exploitation permettant de manipuler une catégorie de périphériques via les opérations classiques autorisées par les inodes : open, read, write, close.

Pseudo-périphérique

Un pseudo-périphérique est une entrée gérée comme un périphérique bien que non associée à un élément physique.

Utilisation \(1\) : repérage de périphériques dits virtuels, i.e. des parties de périphériques (physiques), par exemple : les écrans virtuels de l'écran (physique), partitions (logiques) du disque (physique)...
Utilisation \(2\) : mise en évidence de fonctionnalités du système d'exploitation dans l'arborescence, par exemple : la "poubelle" qui a pour nom /dev/null.

Pour l'OS, périphériques et pseudo-périphériques sont des fichiers.

Connaître les systèmes de fichiers montés¶

Il suffit d'entrer la commande mount.

Par exemple :

$mount
...
/dev/sdc1 on /media/ivan/KINGSTON type vfat (...)
...

On constate que ma clé usb est repérée par sdc1, qu'elle est montée sur /media/ivan/KINGSTOM et que son système de fichier est \(\text{VFAT}\)

udev¶

Le démon \(udev\) est chargé de gérer les device-nodes : pseudos-fichiers stockés normalement dans /dev chargés de représenter les périphériques.

Ce sont en réalité des points d'entrées vers le noyau caractérisés par un type d'accès (bloc ou char) et deux nombres, un majeur et un mineur :

le type définit le mode d'accès (donc par bloc ou par caractère) au périphérique
le majeur permet au noyau de connaître le driver qui gère le périphérique
le mineur permet au driver de savoir quel périphérique parmi ceux qu'il gère (il peut y en avoir plusieurs) est utilisé.

Majeurs et mineurs¶

La commande ls -l nous donne les informations sur le type d'accès et les majeurs et mineurs (entre autres) J'interroge ci-dessous le système à propos de mon disque dur NVMe :

$ls −l /dev/nvme0n1
brw−rw−−−−1 root disk 259, 0 août 19 09:57 /dev/nvme0n1

le b en début de ligne indique qu'il s'agit d'un périphérique avec accès par bloc.
le majeur est \(259\), il indique quel driver est utilisé
le mineur est \(0\) : il indique quel périphérique est ici géré par ce driver.

Péripheérique avec accès séquentiel

J'interroge ci-dessous le système à propos de ma souris :

ls −l /dev/input/mouse1
crw−rw−−−−1 root input 13, 33 janv. 11 17:25 /dev/input/mouse1

le c en début de ligne indique qu'il s'agit d'un périphérique avec accès par octet (ou par caractère). le majeur est \(13\), il indique quel driver est utilisé le mineur est \(33\) : il indique quel périphérique est ici géré par ce driver.

Les fichiers¶

Généralités¶

Sous Linux, considérons un fichier :

Il est toujours désigné par un nom
Il possède un unique inode (certaines informations concernant le fichier). C'est une structure créée au même moment que le fichier afin de contenir ses informations fondamentales. Tous les inodes sont conservés dans une table, et sont identifiés par un INumber (numéro d'index ou d'inode).
Le système fournit à propos de ce fichier des primitives permettant de :
- l'ouvrir
- le fermer
- le lire
- le modifier

Les types de fichiers¶

Pour chaque type de fichier, on donne également la convention d'affichage utilisée par la commande ls -l nomDuFichier

\(\color{blue}\text{ordinaire}\) : (on dit aussi régulier ou normal). (-)

\(\color{blue}\text{répertoire}\) : ils contiennent seulement la liste des noms des fichiers qui y sont stockés ainsi que leurs numéros d'inode. (d)

\(\color{blue}\text{lien symbolique}\) : (l)

\(\color{blue}\text{pseudo-fichier}\) :

Périphériques :
- avec accès par caractères (c). Exemple : souris, clavier.
- avec accès par blocs (b). Les périphériques blocs (disque dur, lecteurs de DVD) gèrent une certaine quantité d'information par groupe de bloc.
dispositif de communication (p) pour les canaux de communication des pipes.
les sockets (s) (réseaux)

Périphériques¶

Dans /dev/input on trouve la plupart des périphériques d'entrées sur l'ordinateur (mais pas tous -par ex. : les microphones-).

Ci-dessous, les event représentent des évènements en rapport avec le clavier (même en rapport lointain, ma webcam est considérée comme faisant partie du clavier !) et mouse...

$ls −l /dev/input/
crw−rw−−−−1 root input 13,74 août 19 09:57 event10
crw−rw−−−−1 root input 13,75 août 19 09:57 event11
...
crw−rw−−−−1 root input 13,32 août 19 09:57 mouse0
crw−rw−−−−1 root input 13,33 août 19 09:57 mouse1

La souris est bien un périphérique en mode caractère (la première lettre de la ligne). L'évènement \(11\) est curieusement associé à ma caméra (comme on peut le voir en entrant xinput list)

Bloc¶

Bloc

Un bloc (ou en anglais cluster) est la plus petite unité de stockage du système de fichiers d'une mémoire de masse. Le choix de la taille de bloc est effectué lors du formatage, et influe sur les performances et sur la capacité utile.

Bloc logique

Le bloc logique est la plus petite unité transférable (en lecture/écriture) du disque. Sa taille peut être différente de celle d'un bloc physique.

Sytème de fichiers

Un système de fichiers est une séquence de blocs logiques décomposées hiérarchiquement comme suit :

\(\color{blue}\text{bloc amorce}\) : contient le chargeur primaire (ou secteur de boot) ;
\(\color{blue}\text{superbloc}\) : informations sur le système de fichiers ;
\(\color{blue}\text{table des inodes}\) : un inode contient des informations sur un fichier ;
\(\color{blue}\text{blocs de données}\) : le contenu d'un même fichier est réparti sur un ou plusieurs blocs.

Organisation du super-bloc¶

On donne avant la définition suivante :

Bitmap

Pour un disque de \(n\) blocs, le bitmap est un tableau de \(n\) bits tel que le bit \(x\) est à \(0\) si le bloc \(x\) est occupé et à \(1\) sinon.

Un super-bloc contient les informations suivantes

nombre total de blocs de la partition ;
nombre et bitmap de blocs libres ;
nombre total d'inodes ;
nombre d'inodes libres ;
tête de la liste chaînée des inodes libres.

Vue d'un disque logique¶

Figure 4 – Un disque logique

Inodes¶

Noeud d'index ou inode

Un noeud d'index ou inode (contraction de l'anglais index et node) est une structure de données contenant des informations à propos d'un fichier ou répertoire.

À chaque fichier correspond un numéro d'inode (i-number) dans le système de fichiers dans lequel il réside, unique dans la partition sur laquelle est située le système de fichiers.

Chaque fichier a un seul inode mais peut avoir plusieurs noms (lesquels font référence au même inode). Un nom de fichier est aussi appelé un lien.

Les inodes contiennent toutes les informations sur les fichiers à part le ou les noms.

Les inodes sont créés en même temps que le système de fichier auxquels ils appartiennent. Leur nombre est donc fixe et dépend de la taille de la partition à laquelle est associé le système de fichier.

Connaître l'inode d'un fichier¶

Pour connaître le numéro d'inode d'un fichier :

$ls −i asup # num d'inode du fichier asup
10224747 asup

Nombre d'inodes utilisées¶

On a des informations sur les inodes utilisés par les partitions avec df -i :

$df −i
Sys. de fichiers Inoeuds IUtil. ILibre IUti% Monté sur
udev 2016836 580 2016256 1% /dev
tmpfs 2032479 1076 2031403 1% /run
/dev/nvme0n1p5 31227904 736385 30491519 3% /
tmpfs 2032479 1 2032478 1% /dev/shm
tmpfs 2032479 5 2032474 1% /run/lock
tmpfs 2032479 18 2032461 1% /sys/fs/cgroup
/dev/loop1 10803 10803 0 100% /snap/core18/2074
/dev/loop2 293 293 0 100% /snap/discord/122

Champs d'un inode¶

Les inodes sont tous de même taille et contiennent les informations suivantes :

type du fichier (- d l c p b...)
droits d'accès ou mode (-rw-rw-r–)
nombres de liens physiques sur le fichier
numéro de l'utilisateur et du groupe auquel appartient le fichier.
Taille en byte du fichier
Deux tableaux contenant un total de \(13\) "adresses disques" (ce sont des pointeurs) (\(13\) pour le standard ext2, \(15\) pour ext4). \(10\) adresses directes, une adresse indirecte à un niveau d'indirection, une adresse indirecte à deux niveaux d'indirection et une adresse indirecte à trois niveaux.
Informations de dates :
- date et heure (ctime) de dernière modification de l'inode (ls -lc)
- dernière date et heure (mtime) auxquelles le fichier a été modifié (ls -l)
- date et heure (atime) de création (ls -lu)

UFS$ls −lu slides ufs.tex
−rw−rw−r−−1 ivan ivan 42531 janv. 9 2023 slides ufs.tex
UFS$ls −lc slides ufs.tex
−rw−rw−r−−1 ivan ivan 42531 janv. 17 10:43 slides ufs.tex
$ls −l slides ufs.tex
−rw−rw−r−−1 ivan ivan 42531 janv. 17 10:43 slides ufs.tex

Vue schématique pour le format ext4¶

Figure 5 – Une inode avec ses liens directs et les indirections de niveau 1,2,3 (cf SCO Group)

Taille maximale d'un fichier régulier¶

En exercice

Ajouter, déplacer, supprimer, lier¶

Figure 6 – Un répertoire contenant un fichier toto

Copier¶

Figure 7 – cp toto titi duplique les données de toto. Un inode autre que celui de toto pointe sur les données dupliquées.

Renommage ou déplacement¶

Figure 8 – Déplacement mv toto R2/titi : par rapport à la figure \(6\), titi de R2 (inode \(236\)) \(\underline{\textsf{est}}\) l'ancien toto de R1 (inode \(128\))

Lien physique¶

Lien physique

Un lien physique est une référence directe à un fichier via son inode.

Avantage : On peut changer le contenu ou la localisation du fichier original, le lien physique restera valide.

Inconvénient : un lien physique référence un numéro d'inode ce qui impose de rester dans la même partition (en effet : deux disques logiques différents peuvent avoir chacun une inode \(47\)).

Inconvénient : on ne peut pas faire un lien physique avec un répertoire.

syntaxe : ln toto ../R2/titi.

Je peux changer toto de place (dans la même partition), le lien entre toto et titi ne disparaît pas.

Figure 9 – Lien physique : Dans le répertoire courant, on entre ln toto R2/titi : titi et toto pointent vers le même inode. Pas de duplication des données.

Situation initiale : un fichier toto de \(121\) octets et \(1\) seul alias.

$ls −ali toto
2373803 −rw−rw−r−−1 ivan ivan 121 janv. 11 22:03 toto

Création d'un lien symbolique :

$ln toto titi
$ls −ali toto
2373803 −rw−rw−r−−2 ivan ivan 121 janv. 11 22:03 toto
(base) ivan@fixe: ̃/.../UFS$ls −ali titi
2373803 −rw−rw−r−−2 ivan ivan 121 janv. 11 22:03 titi

Le nombre d'alias de toto est maintenant \(2\). toto et titi partagent le même inode \(2373803\).

Suppression et inode¶

En supprimant un fichier (rm pour remove), tout ce qui se passe est la suppression de l'un des noms pointant vers un numéro d'inode spécifique.

Les données resteront jusqu'à la suppression de tous les noms associés au même numéro d'inode. Les systèmes Linux se mettent à jour sans nécessiter de redémarrage du système en grande partie à cause du fonctionnement des inodes.

Dans la situation de l'exemple précédent , entrons rm toto : l'inode de toto n'est pas libéré puisque le lien de titi existe toujours. Voir figure \(10\) ci dessous .

Entrons rm titi. Les blocs de données et l'inode correspondant sont libérés : le système pourra les attribuer à d'autres fichiers. Voir figure \(11\).

Figure 10 – Suppression rm toto : l'inode \(47\) et ses données ne sont pas libérés

Figure 11 – Suppression rm titi : l'inode \(47\) et ses données sont libérées

Lien symbolique¶

Lien symbolique

Un lien symbolique est une référence à un nom (i.e. un chemin absolu ou relatif). Tandis qu'un lien physique réfère plutôt un inode.

Avec un lien symbolique on peut traverser les partitions.

Création avec l'option s de ln : ln -s /path/to/original symlink. Par exemple ln -s R1/toto titi crée un lien symbolique entre titi du répertoire courant et toto du répertoire R1.

Par défaut, le lien symbolique doit être créé dans le répertoire courant. Si on veut spécifier aussi un chemin relatif pour le lien symbolique, utiliser l'option r :

−r, −−relative
create symbolic links relative to link location

ln -sr R1/toto R2/titi. Voir la figure 12 ci-dessous.

Si on déplace ou renomme la source, le lien est cassé.

Figure 12 - Lien symbolique ln -sr R1/toto R2/titi

$stat toto
Fichier: toto
Taille: 121 Blocs: 8 Blocs d'E/S: 4096 fichier
...
$ln −s toto lstoto
$ls −al toto lstoto
lrwxrwxrwx 1 ivan ivan 4 janv. 17 11:33 lstoto −>toto
−rw−rw−r−−2 ivan ivan 121 janv. 11 2023 toto
$stat lstoto
Fichier: lstoto −>toto
Taille: 4 Blocs: 0 Blocs d'E/S: 4096 lien symbolique

La taille de toto est de \(121\) bytes (\(121\) carcatères), celle du lien symbolique de \(4\).

On constate que la première lettre du retour de ls est l. Et qu'un lien symbolique possède tous les droits par défaut.