When each day is the same as the next, it's because people fail to recognize the good things that happen in their lives every day that the sun shines. -- Paulo Coelho, The Alchimist
26 Dateisysteme
Eine zentrale Komponente eines Betriebssystems ist die Implementierung eines Dateisystems. Linux unterstützt dabei gleich eine ganze Menge solcher Dateisysteme, sodass jeder Administrator das von der Funktionalität und Performance her für seine Zwecke beste Dateisystem wählen kann. Zudem werden wir auf die BSD-Dateisysteme eingehen.
26.1 Der Aufbau von Speichermedien 
Vor den eigentlichen Dateisystemen stehen natürlich die Speichermedien an sich. Dabei wollen wir exemplarisch Festplatten behandeln, andere Speichermedien wie CD-ROMs verhalten sich aber ähnlich.
26.1.1 Die physikalische Struktur 
Magnetische Speicherung
Natürlich müssen Bits und Bytes physikalisch gespeichert werden. Bei Festplatten passiert das immer noch magnetisch. Eine Platte besteht vereinfacht gesehen aus folgenden Komponenten:
- einer oder mehreren drehbaren Magnetscheiben (inklusive Antrieb etc.)
- beweglichen Lese-/Schreibköpfen (inklusive Lager, Antrieb etc.)
- einem Hochleistungs-DSP für die Schreib-/Leseköpfe.
- der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Computer
- dem Festplattencache
Die magnetisierbaren Scheiben sind nun übereinander angeordnet und besitzen jeweils einen oder zwei Lese-/Schreibköpfe.
Ob jede Magnetscheibe dabei doppelseitig genutzt wird, ist vom jeweiligen Modell abhängig. Sollen nun Daten gelesen beziehungsweise geschrieben werden, so müssen die Lese-/Schreibköpfe zuerst in die richtige Position fahren und die Scheiben zu rotieren beginnen. Diese mechanischen Vorgänge haben im Allgemeinen eine Gesamt-Latenzzeit von 5 bis 10 Millisekunden, was im Vergleich zu den Zugriffszeiten auf den RAM wirklich extrem langsam ist. Sollen dann jedoch größere zusammenhängende Datenstrukturen gelesen werden, ist der Zugriff allerdings recht schnell.
Heutzutage wird jedoch diese interne Geometrie vor dem Betriebssystem versteckt. Wusste das Betriebssystem früher über die dreidimensionale CHS-Ansteuerung – Cylinder, Head und Sektor – noch genau, wo sich ein Datenblock physikalisch auf der Platte befand, werden die Blöcke heute einfach nur gezählt.
Ein Block – oder besser: Sektor – ist dabei immer 512 Byte groß.
So wird dem Fakt Rechnung getragen, dass eine Festplatte nur bei größeren Datenmengen ausreichend schnell ist. Und anstatt die Köpfe und Platten direkt anzusprechen, kann das Betriebssystem nun dank dem LBA-Modus (engl. logical block addressing – logische Blockadressierung) die Festplattenblöcke über eine einfache Nummer ansprechen.
Automatische Komprimierung
Der Festplattencontroller kann so auch selbst Optimierungen vornehmen, indem er beispielsweise Daten anders anordnet oder indem er auch defekte Blöcke intern markiert und durch eine »Reserve« ersetzt. So bekommt das Betriebssystem von defekten Blöcken nichts mit und muss sich auch nicht um Optimierungen kümmern. Interessant ist ebenfalls, dass der Controller die Daten beim Schreiben auf die Platte auch gleich komprimiert.
26.1.2 Die logische Struktur
Die nächste Schicht ist natürlich das jeweilige Dateisystem. Dafür wird nur selten die gesamte Festplatte genutzt.
In der Regel teilt man die Festplatte in mehrere Partitionen auf. Möchte man mehrere Betriebssysteme auf einem Rechner installieren, kommt man um diese Aufteilung nicht herum – schließlich sollen sich die beiden Systeme ja auch nicht in die Quere kommen. Im Vergleich zu unserem vorherigen Abschnitt sind wir im Dateisystemkontext eine Abstraktionsstufe höher und damit von der Adressierung der Daten über Blocknummern weiter weg:
Ein Dateisystem erlaubt den Zugriff auf gespeicherte Daten über Dateinamen.
Blöcke im Dateisystem
In erster Linie verwaltet ein Dateisystem also die Zuordnung von Dateinamen zu Datenblöcken auf der Festplatte. Dabei werden teilweise mehrere Festplattenblöcke zu Dateisystemblöcken zusammengefasst: So kommt man dann schließlich zu Blockgrößen von 2048 oder 4096 bei Dateisystemen. Schließlich müssen diese Blocknummern ja verwaltet werden, und kleinere Blöcke bedeuten mehr Nummern, was wiederum einen höheren Speicher- und Verwaltungsaufwand bedeutet. Außerdem kann auf zusammenhängende Daten schneller zugegriffen werden, als wenn diese wild auf der Platte verteilt sind: Große Blöcke bringen also vor allem auch einen Geschwindigkeitsvorteil.
Der Preis, mit dem man sich diese Geschwindigkeit erkauft, ist nun aber »Platzverlust« durch interne Fragmentierung. Schließlich kann das Dateisystem nur einzelne Blöcke adressieren. Ist eine Datei also im Besonderen kleiner als die Blockgröße beziehungsweise wird bei größeren Dateien der letzte Block nicht ganz voll, so wird dieser Platz verschenkt. <Eine Ausnahme ist das Dateisystem ReiserFS 4: Hier werden halb leere Blöcke noch durch kleine Dateien aufgefüllt. Es können sich also zwei Dateien einen Datenblock »teilen«.>
Das Dateisystem muss natürlich auch die folgenden Funktionen erfüllen:
- Metadaten bereitstellen
Eigentümer & Co.
- Eine Datei hat natürlich nicht nur ihren Inhalt, sondern auch verschiedene Metadaten – in allererster Linie natürlich ihren Namen, aber auch Benutzer, Gruppen und die dazugehörigen Rechte gehören dazu. Auch die Zeit der letzten Modifikation und alles, was man sonst so mit einer Datei verbindet, gehört hier dazu. Das Dateisystem muss diese Informationen speichern und natürlich mit der betreffenden Datei verknüpfen.
- Hierarchie ermöglichen
- Heutzutage sind eigentlich die meisten Dateisysteme hierarchisch, kennen also Verzeichnisse zum Ordnen von Dateien.
- Freie Blöcke verwalten
- Das Dateisystem muss natürlich auch den freien Speicherplatz verwalten. Am einfachsten passiert dies durch eine »Free-list«, also eine Liste aller freien Blöcke.
26.1.3 Integration ins VFS
Nun gibt es aber mehr als nur »ein« Dateisystem. Schon allein die Auswahl für Festplatten scheint gigantisch:
Jedes Betriebssystem hat so ziemlich seinen Favoriten, und der liegt in der Regel auch noch in mehreren Versionen vor. Aber auch besondere Speichermedien wie CD-ROMs bringen ihr eigenes Dateisystem – wie bei CD-ROMs das bekannte ISO9660 – mit, damit den besonderen Eigenschaften dieser Medien auch Rechnung getragen werden kann.
Damit ein Betriebssystem nun auf die unterschiedlichen Dateisysteme zugreifen kann, gibt es das bereits aus dem ersten Kapitel bekannte virtuelle Dateisystem, das VFS. Das VFS bildet die Abstraktion und die einheitliche Schnittstelle, in die alle Dateisystemtreiber integriert werden können. Probleme bei ausgefallenen Features sind bei dieser Integration zwar die absolute Ausnahme, aber doch nicht unmöglich, wie die Probleme mit der Integration von ReiserFS Version 4 in den Linux-Kernel zeigen.
