Файловые системы

Все современные ОС обеспечивают создание файловой системы, которая предназначена для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним.

Основные функции файловой системы можно разделить на две группы:

• функции для работы с файлами (создание, удаление, переименование файлов и т.д.);

• функции для работы с данными, которые хранятся в файлах (запись, чтение, поиск данных и т.д.).

Известно, что файлы используются для организации и хранения данных на машинных носителях. Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем или поименованная область на машинных носителях.

Структурирование множества файлов на машинных носителях осуществляется с помощью каталогов, в которых хранятся атрибуты (параметры и реквизиты) файлов. Каталог может включать множество подкаталогов, в результате чего на дисках образуются разветвленные файловые структуры.

Организация файлов в виде древовидной структуры называется файловой системой. Принцип организации файловой системы – табличный. Данные о том, в каком месте на диске записан файл, хранится в таблице размещения файлов (File Allocation Table, FAT).Эта таблица размещается в начале тома. В целях защиты тома на нем хранятся две копии FAT. В случае повреждения первой копии FAT дисковые утилиты могут воспользоваться второй копией для восстановления тома.

По принципу построения FAT похожа на оглавление книги, так как операционная система использует ее для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске. Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора 512 байт. Поскольку размер FAT – таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются  в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Сначала для дискет и небольших жестких дисков (менее 16 Мбайт) использовалась 12-разрядная версия FAT (так называемая FAT12). Затем в MS-DOS была введена 16-разрядная версия FAT для более крупных дисков. Операционные системы MS DOS, Win 95, Win NT реализуют 16 – разрядные поля в таблицах размещения файлов. Файловая система FAT32 была введена в Windows 95 OSR2 и поддерживается в Windows 98 и Windows 2000. FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT, предназначенную для использования на томах, объем которых превышает 2 Гбайт.

FAT32 обеспечивает поддержку дисков размером до 2 Тбайт и более эффективное расходование дискового пространства. FAT32 использует более мелкие кластеры, что позволяет повысить эффективность использования дискового пространства.

В Windows XP применяется FAT32 и NTFS. Более перспективным направлением в развитии файловых систем стал переход к NTFS (New Technology File System – файловая система новой технологии) с длинными именами файлов и надежной системой безопасности. Объем раздела NTFS не ограничен. В NTFS минимизируется объем дискового пространства, теряемый вследствие записи небольших файлов в крупные кластеры. Кроме того, NTFS позволяет экономить место на диске, сжимая сам диск, отдельные папки и файлы.

По способам именования файлов различают “короткое” и “длинное” имя. Согласно соглашению, принятому в MS-DOS, способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3., т.е. имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение – 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются “короткими”.

С появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие “длинного” имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. “Длинное” имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ / : * ? “ < > |.В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Имя файла заканчивается расширением, состоящим из трех символов. Расширение используется для классификации файлов по типу. Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые проходит. В качестве разделителя используется символ “\” (обратный слеш - обратная косая черта). Например: D:\Documents and Settings\ТВА\Мои документы\lessons-tva\ robots.txt. Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры – людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система.

Специальное системное программное обеспечение, реализующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управления ресурсами, которые используются файлами.

Назначение системы управления файлами – предоставление более удобного доступа к данным, организованным как файлы, т.е. вместо низкоуровнего доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Благодаря системам управления файлами пользователям предоставляются следующие возможности:

• создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных наборов данных (файлов) из своих программ или посредством специальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его данными и активно использующих систему управления файлами;

• работа с не дисковыми периферийными устройствами как с файлами;

• обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством (и наоборот);

• работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управления файлами;

• защита файлов от несанкционированного доступа.

Как правило, все современные операционные системы имеют соответствующие системы управления файлами. А некоторые операционные системы имеют возможность работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (монтируемую систему управления файлами можно установить как дополнительную), и в этом смысле они самостоятельны.

Очевидно, что система управления файлами, будучи компонентом операционной системы, не является независимой от нее, она разрабатывается для работы в конкретной операционной системе. В качестве примера можно сказать, что всем известная файловая система FAT имеет множество реализаций как система управления файлами. Так, система, получившая это название и разработанная для первых персональных компьютеров, называлась просто FAT. Изначально ее разрабатывали для работы с дискетами, некоторое время она использовалась при работе с жесткими дисками небольшого размера. Потом ее постоянно дорабатывали для работы с жесткими дисками большого объема. Доработанные файловые системы получили названия FAT 32, VFAT, HPFS и последняя ее реализация - NTFS.

Файловая система FAT

Файловая система FAT(таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

• непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенных для размещения в них файлов или их фрагментов;

• свободные области дискового пространства;

• дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данных.

Системная область логического диска создается и инициализируется при форматировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Область данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненному корневому каталогу. Элемент каталога описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом):

• загрузочной записи (Boot Record, BR);

• зарезервированных секторов;

• таблицы размещения файлов;

• корневого каталога.

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структурой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принадлежность его к тому или иному файловому объекту.

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом пространстве (точнее – только в области данных).

Кластер – это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых единиц в области данных логического диска. Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раздела. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файловой системе FAT16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 2¹⁶ = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

Номер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, зарезервированному для файлов и подкаталогов). Номера кластеров соответствуют элементам таблицы размещения файлов. Первый допустимый номер кластера всегда начинается с 2. Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

• прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT;

• уменьшается возможная фрагментация файлов;

• ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенного для него.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов. Как мы только что заметили, в среднем на каждый файл теряется около половины кластера. Поэтому в современных файловых системах размеры кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляется возможность выбирать номер кластера.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размещения файлов, иллюстрирует ниже приведенный рисунок.

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для нашего примера может быть записана следующим образом: 8,9,ОА,0В, 15,16,17,19,1А, IB, 1C, ID. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой (bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматировании обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те сектора, при контрольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие. Кластер ID помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, принадлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом 00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый свободный кластер. Возможные значения, которые могут приписываться элементам таблицы FAT, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Значение	Описание
000h	свободный кластер
fff0h-fff6h	зарезервированный кластер
fff7h	плохой кластер
fff8h-ffffh	последний кластер в цепочке
0002h-ffefh	номер следующего кластера в цепочке

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличиваются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, т.е. данные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приводит к существенному замедлению работы с файлами. В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску достаточно интенсивно, она обычно загружается в оперативную память и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица большая, файловый кэш, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Обновляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обращение ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления файловой структуру Scandisk из ОС Windows при обнаружении несоответствия первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, используя данные из копии.

Корневой каталог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо размещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со структурой, представленной в таблице 2.

Таблица 2. Структура элемента каталога

Размер поля данных, байт	Содержание поля
11	Имя файла или каталога
1	Атрибуты файла
1	Резервное поле
3	Время создания
2	Дата создания
2	Дата последнего доступа
2	Зарезервировано
2	Время последней модификации
2	Дата последней модификации
2	Номер начального сектора в FAT
4	Размер файла

Контрольные вопросы

1. Дайте определение файловой системе.

2. Что понимают под системой управления файлами?

3. Какие возможности предоставляются пользователям системами управления файлами?

4. Сколько копий таблицы FAT хранит операционная система?

5. Что содержит таблица размещения файлов?

6. На какие области в файловой системе FAT делится дисковое пространство любого логического диска?

7. Дайте пояснение процессу «форматирование диска».

8. Что представляет собой кластер?

9. Для чего введены кластеры?

10. Чем отличается корневой каталог от обычного файла-каталога?

11. Какая информация в файловой системе хранится для каждого файла и каталога?

12. Какая операционная система использует файловую систему FAT16?

13. Поддержку дисков, каких размеров обеспечивает файловая система FAT32?

14. В какой операционной системе впервые была использована файловая система FAT32?

15. Что позволяет в файловой системе FAT32 более эффективно использовать дисковое пространство?

16. Какие файловые системы использует операционная система Windows XP?

17. Какое имя файла считается «коротким»?

18. Сколько символов может содержать «длинное» имя файла?