ファイルシステムとは

ディスクは memo.txt という名前を知らない

SSD も HDD も、装置としてできることは「何番目のブロックを読め」「何番目のブロックに書け」の 2 つだけです。4KB のブロックが 0 番から順に並んだ、ひたすら長い配列だと思ってください。名前という概念はどこにもありません。

一方こちらは cat /home/alice/memo.txt と打ちます。この文字列を、何番のブロックを読めばよいかという数字へ変換する。それがファイルシステムの仕事です。

対応表も、同じディスクの中に置くしかない

名前と番号の対応表を RAM だけに持つと、電源を切った瞬間に消えます。翌朝には中身が読み出せなくなるので、対応表もディスクへ書かなければなりません。ファイルシステムは、ブロックの一部を中身の保管に使い、残りを「どこに何があるか」の管理に使う、という配分をしています。

管理側に置かれるのは、おおよそ次のものです。

• ファイルごとの管理情報。大きさ、更新日時、所有者、そして中身がどのブロックに入っているかの一覧
• 名前と管理情報を結びつける表。これがディレクトリの正体
• どのブロックが空いているかの一覧
• ディスク全体の素性を記した先頭の情報

ls -l がサイズと日時を一瞬で返せるのは、中身を 1 バイトも読んでいないからです。管理情報だけを読んでいます。

1 ファイル開くのに、何度も引き直している

/home/alice/memo.txt を開く流れは、スラッシュで区切られた分だけの繰り返しになります。

1. 一番上の / の管理情報を読み、続けて / の中身のブロックを読む
2. その中の名前一覧から home を見つけ、home の管理情報を読む
3. 同じことを alice について繰り返す
4. alice の中身から memo.txt を見つけ、その管理情報を読む
5. ようやく、中身が入っているブロック番号が分かる

階層が深いほど往復が増えます。それでも実用になっているのは、OS が一度読んだブロックを RAM へ取っておくためです。この控えをページキャッシュと呼びます。同じディレクトリで 2 回目の ls が速いのも、深いパスを何度叩いても速度が落ちないのも、往復のほとんどが RAM で済んでいるからです。

表の作り方は 1 つではない

名前から場所を引く、というやり方に唯一の正解はありません。想定するディスクの性質や、求める安全性に合わせて、いくつもの実装があります。

Linux はそこに VFS という共通の窓口を置きました。open や read の呼び方は、下にどの実装が居ても同じです。だから USB メモリでも、ネットワーク越しの領域でも、同じ cat がそのまま使えます。

窓口が共通なので、別々のディスクを 1 本のツリーへ束ねることもできます。あるディレクトリを入口として別のディスクを貼り付ける操作が mount で、/home だけ別のディスク、/proc はディスクを持たないカーネル製の作り物、といった構成が普通に成り立ちます。

df -T

Filesystem     Type   1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
/dev/nvme0n1p2 ext4   478920000 210344000 244300000  47% /
/dev/nvme0n1p1 vfat     1046508     12200   1034308   2% /boot/efi
tmpfs          tmpfs    8134560      1240   8133320   1% /run

Type の列が、その入口から下で使われている実装です。1 本に見えるツリーが、実は何種類もの実装の寄せ集めであることが分かります。