4.3. Fonctionnalités des systèmes de fichiers
Les systèmes de fichiers Unix sont des systèmes de fichiers extrêmement évolués, qui fournissent à la fois d'excellentes performances, une grande sécurité, et des fonctionnalités puissantes. Peu d'utilisateurs savent exactement quels sont les services qu'ils peuvent fournir en général, et beaucoup croient que les systèmes de fichiers savent juste stocker des données dans des fichiers organisés dans une hiérarchie de répertoires. Mais nous allons voir qu'ils permettent de faire beaucoup mieux que cela !
4.3.1. Le système de fichiers virtuel
Pour commencer, il faut préciser que Linux ne travaille pas directement avec les systèmes de fichiers physiques. En effet, il interpose systématiquement un système de fichiers intermédiaire, nommé « Virtual File System » (« VFS » en abrégé), qui permet aux applications d'accéder à différents systèmes de fichiers de manière indépendante de leur nature et de leur structure interne. Le système de fichiers virtuel ne fait pas grand chose en soi : il se contente de transférer les requêtes des applications vers les systèmes de fichiers réels. Il fournit donc une interface bien définie pour les applications, que celles-ci doivent utiliser. Les systèmes de fichiers réels, quant à eux, doivent simplement fournir les services dont le système de fichiers virtuel a besoin. Tous les systèmes de fichiers réels ne disposent toutefois pas forcément de toutes les fonctionnalités demandées par le système de fichiers virtuel. Dans ce cas de configuration, la requête de l'application désirant effectuer l'opération manquante échouera tout simplement.
Comme on peut le constater, cette architecture est modulaire. Et comme on l'a vu pour l'architecture du système en général, cela apporte beaucoup de bénéfices. Les plus évidents sont indiqués ci-dessous :
Linux est capable de gérer plusieurs systèmes de fichiers réels. La seule condition est qu'ils doivent tous fournir les services de base exigés par le système de fichiers virtuel ;
les applications peuvent utiliser plusieurs de ces systèmes de fichiers réels de manière uniforme, puisqu'elles n'utilisent que le système de fichiers virtuel. Cela simplifie leur programmation, et permet d'éviter autant de bogues potentiels ;
chaque système de fichiers réel étant indépendant des autres, il ne perturbe pas leur fonctionnement. En particulier, un système de fichiers corrompu ne corrompt pas les autres.
Avec cette architecture, un grand nombre de systèmes de fichiers ont été développés pour Linux. Parmi ces systèmes de fichiers, on retrouve les plus connus, à savoir :
le système de fichiers EXT2, qui est le système de fichiers natif de Linux ;
le système de fichiers EXT3, qui est une évolution du système de fichiers EXT2 capable de prendre en charge également les mécanismes de journalisation (voir la note ci-dessous pour savoir ce qu'est la journalisation d'un système de fichiers) ainsi que les blocs déffectueux sur le support physique ;
le système de fichiers ReiserFS, qui supprime la notion de bloc disque et qui est également journalisé ;
les systèmes de fichiers FAT, FAT32 et FAT32X (utilisés par les systèmes DOS et Windows, ainsi que par les clefs USB et les cartes mémoire) ;
le système de fichiers NTFS (utilisé par Windows NT, Windows 2000 et XP), en lecture et partiellement en écriture (seul l'écrasement des données existantes dans un fichier, sans redimensionnement, est autorisé à l'heure actuelle) ;
le système de fichiers ISO9660, qui est utilisé par tous les CD-ROM. Les extensions permettant de gérer les noms longs sont également gérées. Ces extensions comprennent en particulier le système de fichiers Joliet (extensions de Microsoft pour Windows 95) et Rock Ridge (extensions utilisées par tous les systèmes Unix) ;
le système de fichiers NFS (utilisé pour distribuer sur un réseau un système de fichiers).
Note : La journalisation consiste à écrire sur le disque toutes les opérations en cours à chaque instant. Ainsi, lorsqu'un redémarrage intempestif se produit, le système peut ramener rapidement la structure de données du système de fichiers dans un état cohérent. La journalisation accroît donc encore à la fiabilité du système de fichiers.
Linux gère également d'autres systèmes de fichiers natifs ou utilisés par d'autres systèmes d'exploitation (Unix ou non). Il permet même d'intégrer des pseudo systèmes de fichiers générés par le noyau. Ces systèmes de fichiers sont complètement fictifs : leur structure et leurs fichiers sont générés dynamiquement par le noyau lorsqu'une application y accède. Ils sont principalement utilisés pour fournir aux applications des informations que le noyau met à leur disposition, pour réaliser des systèmes de fichiers en mémoire, et pour gérer l'ensemble des fichiers spéciaux de périphériques installés sur l'ordinateur.
Les systèmes de fichiers natifs de Linux sont de loin les systèmes de fichiers les plus fonctionnels, les plus fiables et les plus courants. Le choix du système de fichiers dépend donc généralement de l'usage que l'on en fera, certains systèmes de fichiers étant plus appropriés pour certains types d'utilisation. Si l'on recherche essentiellement la stabilité, je recommande le système de fichiers EXT3, car c'est pour l'instant le seul système de fichiers capable de prendre en compte les blocs défectueux sur le support physique.
Quoi qu'il en soit, on ne pourra installer Linux que sur un système de fichiers de type Unix. Ces systèmes de fichiers sont tous plus fonctionnels et plus performants que les systèmes de fichiers FAT. Leurs principales fonctionnalités sont les suivantes :
les accès aux fichiers sont rapides, même plus rapides que les systèmes de fichiers basés sur la FAT sous Windows, qui pourtant ne gèrent pas les droits des utilisateurs ni les autres fonctionnalités avancées des systèmes de fichiers Unix ;
la fragmentation des fichiers est quasiment inexistante. En fait, la fragmentation des fichiers existe effectivement, mais les algorithmes utilisés par les systèmes de fichiers pour allouer les blocs du disque dur lors de l'écriture dans un fichier sont suffisamment évolués pour éviter qu'elle ne se produise de manière trop importante. De plus, les algorithmes de lecture anticipée des blocs et de mise en mémoire cache des données lues du sous-système d'entrée/sortie masquent complètement les latences dues à la fragmentation. De ce fait, en pratique, la fragmentation n'a pas d'impact sur les performances du système, et peut être tout simplement ignorée. Pour donner un ordre de grandeur, après installation, suppression, manipulation d'un grand nombre d'applications et de petits fichiers sur une partition EXT2 de 800 Mo, le tout réalisé par plusieurs processus fonctionnant en même temps, la fragmentation reste inférieure à 1% sur 57571 fichiers (sur un total de 249856 fichiers que le système de fichiers pourrait contenir) ;
quant à la fiabilité, elle est gérée grâce à un stockage redondant des principales structures de données internes. Ainsi, si une erreur apparaît dans le système de fichiers, les parties défectueuses peuvent être reconstituées à partir des informations sauvegardées. Cette réparation est réalisée automatiquement à chaque redémarrage de la machine si nécessaire.
4.3.2. Liens symboliques et liens physiques
Une fonctionnalité intéressante fournie par les systèmes de fichiers Unix est la possibilité de réaliser des liens sur des fichiers ou des répertoires.
Un lien est une référence à un fichier ou un répertoire existant, qui peut être manipulé exactement comme sa cible. Il existe deux sortes de liens : les liens physiques, qui sont réellement une référence sur les données du fichier au niveau de la structure même du système de fichiers, et les liens symboliques, qui ne sont rien d'autre qu'un fichier additionnel contenant les informations nécessaires pour retrouver la cible.
Les liens physiques présentent les inconvénients de ne pas pouvoir référencer des répertoires, et de ne pouvoir référencer que des objets du même système de fichiers que celui dans lequel ils sont créés. La limitation sur les répertoires permet d'éviter de construire des cycles dans la structure du système de fichiers. Quant à la limitation à la frontière des systèmes de fichiers, elle est obligatoire puisque les liens physiques sont gérés directement au niveau de la structure du système de fichiers. En revanche, ils présentent des avantages certains :
le déplacement des cibles ne les perturbe pas si celles-ci restent dans le même système de fichiers, parce que dans ce cas les données ne sont pas déplacées sur le disque ;
la suppression de la cible ne détruit pas le lien physique. Tous les liens physiques sur un fichier partagent la même structure de données du système de fichiers, et celle-ci n'est réellement détruite qu'à la destruction du dernier lien physique.
En fait, toute entrée de répertoire est un lien physique sur le contenu du fichier. Le fait d'avoir plusieurs liens physiques sur les mêmes données correspond à disposer de plusieurs entrées de répertoire donnant accès aux mêmes données dans le système de fichiers. Il serait possible de créer des liens physiques dans un système de fichiers FAT, mais ils seraient interprétés comme des références croisées par les outils de vérification de disque. Le système de fichiers FAT de Linux interdit donc la création des liens physiques, tout comme le font DOS et Windows.
Les liens symboliques, quant à eux, permettent de référencer des fichiers ou des répertoires se trouvant dans d'autres systèmes de fichiers que le leur. C'est pour cette raison qu'ils sont très couramment utilisés (en fait, les liens physiques ne sont quasiment pas utilisés, parce qu'il est très courant de faire un lien sur un répertoire, ce que seuls les liens symboliques savent faire). En revanche, ils sont extrêmement dépendants de leur cible : si elle est supprimée ou déplacée, tous les liens symboliques qui s'y réfèrent deviennent invalides.
La référence sur le fichier ou le répertoire cible contenue dans les liens symboliques peut être soit relative à l'emplacement de leur cible, soit absolue dans le système de fichiers. Chacune de ces méthodes a ses avantages et ses inconvénients : les liens symboliques qui contiennent des références relatives ne sont pas brisés lors d'un déplacement de la cible, pourvu qu'ils soient déplacés également et restent à la même position relative par rapport à celle-ci dans la hiérarchie du système de fichiers. En revanche, ils sont brisés s'ils sont déplacés et que la cible ne l'est pas. Les liens symboliques utilisant des références absolues sont systématiquement brisés lorsque la cible est déplacée, mais ils restent valides lorsqu'ils sont eux-mêmes déplacés. Comme en général c'est le comportement que l'on recherche, les liens symboliques sont toujours créés avec des références absolues, mais vous êtes libre de faire autrement si vous en ressentez le besoin. Sachez cependant que déplacer une source de données n'est jamais une bonne idée. Le tableau suivant récapitule les avantages et les inconvénients des différents types de liens :
Tableau 4-1. Caractéristiques des liens physiques et symboliques
| Fonctionnalité | Liens physiques | Liens symboliques | |
|---|---|---|---|
| Référence relative | Référence absolue | ||
| Peuvent être déplacés | Oui | Avec la cible | Oui |
| Suivent la cible | Oui | Si déplacés avec elle | Non |
| Gèrent la suppression de la cible | Oui | Non | Non |
| Peuvent référencer des cibles sur un autre système de fichiers | Non | Oui | Oui |
| Peuvent référencer des répertoires | Non | Oui | Oui |
4.3.3. Autres fonctionnalités
Les systèmes de fichiers de Linux fournissent également des fonctionnalités qui peuvent être intéressantes, mais que l'on utilise généralement moins souvent.
La première de ces fonctionnalités est les quotas. Ceux-ci permettent de définir la proportion d'espace disque que chaque utilisateur peut consommer dans le système de fichiers. Ainsi, il est possible de restreindre les utilisateurs et d'éviter qu'un seul d'entre eux ne consomme l'ensemble des ressources disque. En pratique, cette fonctionnalité n'est pas d'une grande utilité pour un particulier, qui souvent est le seul utilisateur de sa machine.
Note : Sachez toutefois que les systèmes de fichiers réservent généralement une petite partie (environ 5%) de l'espace disque pour l'administrateur du système, afin de s'assurer que celui-ci pourra toujours effectuer les opérations de maintenance en cas de saturation du système de fichiers. Cet espace libre est également utilisé pour les mécanismes de défragmentation automatique des systèmes de fichiers.
Les systèmes de fichiers permettent également d'enregistrer des informations complémentaires sur les fichiers, afin par exemple de pouvoir les marquer pour un traitement spécifique. Ces informations complémentaires sont stockés sous la formes « d'attributs », pouvant contenir virtuellement n'importe quel type d'information. Certains systèmes de fichiers utilisent cette fonctionnalité pour implémenter les mécanismes de sécurité basés sur les ACLs.
Enfin, les systèmes de fichiers Unix sont également capables de prendre en charge ce que l'on appelle les fichiers « troués » (« sparse files » en anglais). Ces fichiers sont des fichiers contenant des données séparées par de grands espaces vides. On peut donc dire qu'ils sont « presque vides ». Pour ces fichiers, il est évident qu'il est inutile de stocker les espaces vides sur le disque. Les systèmes de fichiers mémorisent donc tout simplement qu'ils contiennent des trous, et ils ne stockent que les données réelles et la position des trous avec leurs tailles. Cela constitue une économie de place non négligeable. Les applications classiques des fichiers presque vides sont les bases de données, qui utilisent souvent des fichiers structurés contenant relativement peu de données effectives, et les images disque pour installer des systèmes d'exploitation dans des machines virtuelles.