Ответы на билеты по гос экзаменам Факультет К кафедра 29 / Операционные системы / Операционные системы / Файловая система(5)

Файловая система (ФС) является важной частью любой операционной системы, которая отвечает за организацию хранения и доступа к информации на каких-либо носителях. Рассмотрим в качестве примера файловые системы для наиболее распространенных в наше время носителей информации – магнитных дисков. Как известно, информация на жестком диске хранится в секторах (обычно 512 байт) и само устройство может выполнять лишь команды считать/записать информацию в определенный сектор на диске. В отличие от этого файловая система позволяет пользователю оперировать с более удобным для него понятием - файл. Файловая система берет на себя организацию взаимодействия программ с файлами, расположенными на дисках. Для идентификации файлов используются имена. Современные файловые системы предоставляют пользователям возможность давать файлам достаточно длинные мнемонические названия.

Под каталогом в ФС понимается, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, с  другой стороны каталог - это файл, содержащий системную информацию о группе составляющих его файлов. Файловые системы обычно имеют иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет каталогов, содержащих информацию о файлах и каталогах более низкого уровня.

Рассмотрим более подробно структуру жесткого диска. Базовой единицей жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска. Каждый раздел содержит один том, обслуживаемый какой-либо файловой системой и имеющий таблицу оглавления файлов - корневой каталог. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов. Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать, так называемый, расширенный (extended) раздел, который по аналогии с разделами может разбиваться на несколько логических дисков.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается головная запись загрузки и таблица разделов (табл. 1). Головная запись загрузки (master boot record, MBR) - первая часть данных на жестком диске. Она зарезервирована для программы начальной загрузки BIOS (ROM Bootstrap routine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (Boot Sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочный сектор.

Размер (байт)	Описание
446	Загрузочная запись (MBR)
16	Запись 1 раздела
16	Запись 2 раздела
16	Запись 3 раздела
16	Запись 4 раздела
2	Сигнатура 055AAh

Табл. 1. Таблица деления диска

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

• совокупность всех файлов на диске,

• наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами, такие как, например, каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

• комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности операции по созданию, уничтожению, чтению, записи, именованию файлов, установке атрибутов и уровней доступа, поиску и т.д.

Различие между файловыми системами заключается, в основном, в способах распределения пространства между файлами на диске и организации на диске служебных областей.

Современные операционные системы стремятся обеспечить пользователя возможностью работать одновременно с несколькими файловыми системами. В этом случае ФС рассматривается как часть подсистемы ввода-вывода. В большинстве операционных систем (Windows 98, 2000, XP, OS/2) реализуется механизм переключения файловых систем (File System Switch, FSS), позволяющий поддерживать различные типы ФС. В соответствии с этим подходом информация о файловых системах и файлах разбивается на две части – зависимую от ФС и не зависимую. FSS обеспечивает интерфейс между ядром и файловой системой, транслируя запросы ядра в операции, зависящие от типа файловой системы. При этом ядро имеет представление только о независимой части ФС.

Файловая система представляет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между приложением и конкретной файловой системой, к которой обращается приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы к файлам в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем драйверов файловых систем. Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к драйверам конкретных устройств хранения информации.

HPFS

Высокопроизводительная файловая система HPFS (High Performance File System) была представлена фирмой IBM в 1989 году вместе с операционной системой OS/2 1.20. Файловая система HPFS также поддерживалась ОС Windows NT до версии 3.51 включительно. По производительности эта ФС существенно опережает FAT. HPFS позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт (первоначально до 4 Гбайт). Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

HPFS распределяет пространство на диске физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файл HPFS стремится, по возможности, размещать файлы в последовательных смежных секторах. Фрагмент файла, располагающийся в смежных секторах, называется экстентом.

Для нумерации единиц распределения пространства диска HPFS использует 32 разряда, что дает 2³², или более 4 миллиардов номеров. Однако HPFS использует числа со знаком, что сокращает число возможных номеров блоков до 2 миллиардов. Помимо стандартных атрибутов файла, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (Extended Attributes, EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о файле.

Диск HPFS имеет следующие три базовые структуры (рис. 3): загрузочный блок (BootBlock), дополнительный блок (SuperBlock) и резервный блок (SpareBlock).

Загрузочный блок в HPFS аналогичен загрузочному блоку в FAT. Он располагается в секторах с 0 по 15 и занимает на диске 8 Кб. Системные файлы, также как и в FAT, располагаются в корневом каталоге, но при этом физически могут находиться в любом месте на диске.

В 16 секторе размещается дополнительный блок, содержащий указатель на список блоков битовых карт (bitmap block list). В этом списке перечислены все блоки на диске, в которых расположены битовые карты, используемые для обнаружения свободных секторов. Также в дополнительном блоке хранится указатель на список дефектных блоков (bad block list), указатель на группу каталогов (directory band), указатель на файловый узел корневого каталога и дата последней проверки диска. Файловый узел (fnode) – это структура диска HPFS, которая содержит информацию о расположении файла и о его расширенных атрибутах.

В следующем секторе находится резервный блок, содержащий карту аварийного замещения (hotfix map), указатель на список свободных запасных блоков (directory emergency free block list) и ряд системных флагов. Резервный блок обеспечивает высокую отказоустойчивость HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске.

Остальное пространство диска разделено на группы (band) хранения данных. Каждая группа занимает 8 Мб и имеет свою собственную битовую карту свободного пространства, которая похожа на таблицу размещения файлов FAT. Каждому сектору группы соответствует один бит к ее битовой карте, показывающий занят ли соответствующий сектор. Битовые карты двух групп располагаются на диске рядом, также как располагаются и сами группы. Это дает возможность непрерывно разместить на жестком диске файл размером до 16 Мб.

Одна из групп данных размером 8 Мб, расположенная в середине жесткого диска и называемая группой каталогов, хранит информацию о каталогах диска. В ней наряду с остальными каталогами располагается и корневой каталог. Расположение группы каталогов в центре диска значительно сокращает время позиционирования головок чтения/записи.

В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое B-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. Сбалансированное дерево состоит из корневого (root block) и оконечных блоков (leaf block). Блоки занимают 4 последовательных сектора и в среднем могут содержать 40 записей. При поиске файловая система HPFS просматривает только необходимые ветви дерева.

.

UFS (Unix File System)

Сам блок inode содержит:

• количество ссылок на файл - каждое имя, ссылающееся на файл, а также открытие файла увеличивают этот счетчик на единицу; файл стирается с высвобождением занятого места как только счетчик становится равным нулю (т.е. можно стереть открытый файл, а реально он сотрется когда его закроют);

• размер файла;

• дату и время создания, последнего изменения и последего чтения файла;

• тип файла - в Unix это бывает:

  • обычный файл;

  • директория;

  • файл блочного устройства;

  • файл символьного (последовательного) устройства;

  • поименованный пайп (название происходит от символа "|", называемого "pipe" - см.его значение в shell);

  • символьный линк (алиас); обычный файл и директория встречаются во всех файловых системах; файлы устройств являются интерфейсами к драйверам этих устройств;

• UID (идентификатор хозяина файла) и GID (идентификатор группы);

• атрибуты доступа:

  • Unix использует атрибуты 'Read', 'Write' и 'eXecute' для хозяина файла (owner), для одногрупника (group) и для остальных (other) - итого 9 бит; для директории эти атрибуты означают соответственно права на чтение списка файлов, на создание/удаление файлов и на обращение к файлам внутри директории;

важной особенностью является то, что права доступа для хозяина определяются атрибутами для него, права для одногрупника и остальных для хозяина игнорируются; аналогично для одногркпника не играют никакой роли права для остальных;

• кроме них есть атрибуты SetUID и SetGID - для запускаемого файла (не интерпретируемого) эти атрибуты определяют запуск процесса под правами не запустившего их пользователя, а хозяина и/или группы файла соотвнтственно;

• и еще есть один атрибут - для директории он запрещает стирание файлов, не принадлежащих стирающему;

• расширенный ACL (Access Control List, Список Управления Доступом) или ссылку на ACL, если файловая система поддерживает ACL;

• несколько (в классической UFS - 13) ссылок на кластеры файловой системы (раскладка приведена для классической UFS):

	FAT(File Allocation Table) 1977г	FAT32	NTFS New Technology File System	VFAT Virtual FAT	UFS Unix File System)
Системы, её поддерживающие	DOS, Windows9Х, NT всех версий	Windows  95 OSR 2 Windows98, NT5, Windows ME, Windows 2000 и Windows XP.	NT4, NT5, Windows 2000 и Windows XP.	Windows NT 3.5, Windows 95	Solaris,Tru64,HP-UX
Максимальный размер тома	2 Гбайт	260Mb-32Gb	512Mb-32Gb	2 Гбайт	практически не ограничен
Макс. число файлов на томе	примерно 65 тысяч	практически не ограничено	практически не ограничено	примерно 65 тысяч	практически не ограничено
Имя файла	имя должно начинаться с буквы или цифры и может содержать любой символ ASCII, за исключением пробела и символов "/\[]:;|=,^*? 8 символов с поддержкой длинных имен - 255 символов, системный набор символов	с поддержкой длинных имен - 255 символов, системный набор символов	255 символов, любые символы любых алфавитов (65 тысяч разных начертаний)	с поддержкой длинных имен - 255 символов, системный набор символов	255 символов, системный набор символов
Возможные атрибуты файла	архивный, скрытый, системный только для чтения метка тома время и дату создания модификации и последнего доступа к файлу или каталогу	Базовый	Базовый + запрета доступа к файлу, квоты, проецирование каталога в подкаталог на локальном диске	Базовый набор	атрибуты файла в отдельном объекте ФС - inode; это позволяет иметь доступ к файлу более чем по одному имени (так называемый жесткий линк), и повысить эффективность функционирования системы. SetUID, SetGID
Безопасность	нет	нет	да (начиная с NT5.0 встроена возможность физически шифровать данные)	нет
Сжатие	нет	нет	да	нет	нет
Устойчивость к сбоям	средняя (система слишком проста и поэтому ломаться особо нечему )	плохая (средства оптимизации по скорости привели к появлению слабых по надежности мест)	полная - автоматическое восстановление системы при любых сбоях (не считая физические ошибки записи, когда пишется одно, а на самом деле записывается другое)	средняя	полная - автоматическое восстановление системы при любых сбоях
Экономичность	минимальная (огромные размеры кластеров на больших дисках)	улучшена за счет уменьшения размеров кластеров	максимальна. Очень эффективная и разнообразная система хранения данных	минимальная
Быстродействие	высокое для малого числа файлов, но быстро уменьшается с появлением большого количества файлов в каталогах. результат - для слабо заполненных дисков - максимальное, для заполненных - плохое	полностью аналогично FAT, но на дисках большого размера (десятки гигабайт) начинаются серьезные проблемы с общей организацией данных	система не очень эффективна для малых и простых разделов (до 1 Гбайт), но работа с огромными массивами данных и внушительными каталогами организована как нельзя более эффективно и очень сильно превосходит по скорости другие системы
Размер кластера	4-32K	512b-32Kb	512b-64Kb
Размер HDD или макс.размер файла	Сначала не могла работать с дисками	До 2Tb	До 16 Эксабайт

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

• информация о разрешенном доступе,

• пароль для доступа к файлу,

• владелец файла,

• создатель файла,

• признак "только для чтения",

• признак "скрытый файл",

• признак "системный файл",

• признак "архивный файл",

• признак "двоичный/символьный",

• признак "временный" (удалить после завершения процесса),

• признак блокировки,

• длина записи,

• длина ключа,

• времена создания, последнего доступа и последнего изменения,

• текущий размер файла,

• максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (рисунок 2.31). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рисунок 2.32).

Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Рис. 2.32. Логическая организация файловой системы а - одноуровневая; б - иерархическая (дерево); в - иерархическая (сеть)

Права доступа к файлу

Определить права доступа к файлу - значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

• создание файла,

• уничтожение файла,

• открытие файла,

• закрытие файла,

• чтение файла,

• запись в файл,

• дополнение файла,

• поиск в файле,

• получение атрибутов файла,

• установление новых значений атрибутов,

• переименование,

• выполнение файла,

• чтение каталога,

и другие операции с файлами и каталогами.

В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции (рисунок 2.35). В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.

Различают два основных подхода к определению прав доступа:

• избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;

• мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.

Общая модель файловой системы

Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью (рисунок 2.36), в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.

Рис. 2.36. Общая модель файловой системы

Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой. В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. В некоторых файловых системах (например, HPFS) при открытии файла вместе с его характеристиками в оперативную память перемещаются несколько первых блоков файла, содержащих данные.

Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла. Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.

Рис. 2.37. Функции физического уровня файловой системы

Исходные данные: V - размер блока N - номер первого блока файла S - смещение логической записи в файле