Тема 2.3. Работа с файлами
Студент должен:
иметь представление:
о файловых системах, применяемых в различных операционных системах;
знать:
общие сведения о файловых системах;
форматы файлов;
организацию файловых систем
уметь:
определять размер кластеров,
определять количество кластеров, затрачиваемых на хранение одного файла;
определять логическое размещение файлов.
Файловая система. Типы файлов. Физическая организация файловой системы. Логическая организация файловой системы. Иерархическая структура файловой системы. Файловые операции, контроль доступа к файлам. Примеры файловых систем.
Подготовка жесткого диска к работе состоит из двух шагов: разбиения на разделы и логического форматирования.
Разбиение жесткого диска на разделы мы рассмотрели на предыдущем занятии, сегодня ознакомимся с таким понятием, как файловая система, которая создается при логическом форматировании ЖД.
Логическое форматирование разделов Жесткого диска
Внутри каждого из разделов информация должна быть организована способом, который был бы понятен операционной системе, использующей данный раздел. Этот способ организации представляет собой файловую систему. Различные операционные системы используют разные файловые системы. В DOS и Windows процедура подготовки разделов к использованию и создания файловой системы называется логическим форматированием.
Как правило, программа форматирования раздела (например, FAT16) в DOS и Windows выполняет следующие действия:
создает загрузочный сектор (Boot Record);
создает Таблицу размещения файлов (File Allocation Table, FAT). Такое название таблица имеет в DOS и Windows. В других операционных системах может называться иначе;
помечает дефектные кластеры, которые не пригодны к использованию.
После выполнения операции форматирования логические диски приобретают следующую организацию:
логический диск начинается с загрузочного сектора ;
после загрузчика размещаются одна или несколько копий Таблицы размещения файлов (FAT);
затем следует корневой каталог (Root)- корневой каталог системы, содержащий данные о файлах и о подкаталогах верхнего уровня, каждый из которых в свою очередь может содержать файлы и подкаталоги;
далее следует область данных, разбитая на кластеры и используемая для хранения папок и файлов.
Boot Record
FAT
FAT
Root
Каталоги и файлы
Логический диск
Рисунок 2.16 - Организация логического диска после форматирования в системе FAT.
Операционная система использует Таблицу размещения файлов для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске. Кроме того, в Таблице фиксируются сведения о свободных и дефектных кластерах.
Таблица размещения файлов (FAT) описывает расположение папок и файлов в кластерах. Каждому кластеру в FAT соответствует свой элемент (ячейка таблицы).
Чтобы прочитать файл, операционная система должна найти по имени файла запись в папке и прочитать номер первого кластера файла. Первый кластер представляет собой начало файла. Затем необходимо прочитать соответствующий первому кластеру файла элемент FAT. Если элемент содержит метку «последний в цепочке», то дальше искать ничего не нужно: весь файл умещается в одном кластере. Если кластер не последний, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера. Содержимое следующего кластера должно быть прочитано вслед за первым.
Операционная система действует таким образом, чтобы собирать цепочки из соседних кластеров по нарастанию номера. Понятно, что обращение к последовательно расположенным кластерам будет происходить значительно быстрее, чем к кластерам, случайным образом разбросанным по диску. При этом обходятся уже занятые кластеры и кластеры, помеченные в FAT как дефектные.
Файловые системы
Таким образом, важнейшей составляющей любой операционной системы является файловая система. Файловая система - это структура, с помощью которой ядро операционной системы предоставляет пользователям и процессам память на долговременных носителях информации - жестких и гибких дисках, CD-ROM, магнитных лентах и т. д.
Файловая система представляет информацию на диске в виде совокупности файлов и папок. С точки зрения пользователя, файл - это единица хранения логически связанной информации: текстовой, графической, звуковой, видео.
С точки зрения организации хранения данных на диске, файл - это цепочка связанных между собой кластеров. Кластер - это совокупность нескольких секторов. Такая организация характерна для файловых систем, поддерживаемых разными версиями DOS и Windows.Таким образом, при создании файловых систем определяется размер кластера.
Каждая операционная система может работать с одной или несколькими файловыми системами.
В данной лекции ограничимся рассмотрением наиболее распространенных файловых систем, с которыми мы сталкиваемся при работе на персональных компьютерах. Это системы FAT, FAT32 и NTFS. Знание основных принципов их построения необходимо не только специалисту в области вычислительной техники, но и обычному пользователю. Особенно актуальными становятся знания возможностей файловой системы NTFS, которая сегодня получает все большее распространение.
Файловая система FAT16 представляет собой простую файловую систему, разработанную для небольших дисков.
Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Онаполучила свое название благодаря простой таблице, которая, как мы знаем, связывает все кластеры, принадлежащие одному файлу. Эта таблица размещается в начале диска, в которой указываются:
участки логического диска, отведенные 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).
Недостатки FAT16:
невозможность поддержки разделов диска размером больше 2 Гб.
Невозможность работы с файлами размером 2 Гб.
Невозможность работы с ЖД емкостью более 8 ГБ.
Ограниченный размер корневой папки (содержит не более 512 элементов).
Имена файлов из 8 символов и расширение из 3.
FAT32 представляет усовершенствованную версию FAT16,появилась в Windows95 может использоваться в ОС Windows XP, для работы с дисками более 8 Гб, меньший размер кластера.
Файловая система NTFS
В название файловой системы NTFS (New Technology File System — файловая система новой технологии) входят слова «новая технология». Действительно, файловая система NTFS по сравнению с широко известной FAT16 (и даже FAT32) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений. С точки зрения пользователей файлы по-прежнему хранятся в каталогах, ныне при работе в среде Windows часто называемых папками (folders). Однако в ней появилось много новых особенностей и возможностей.
Наиболее важной частью файловой системы на диске является главная таблица файлов (MFT, Master File Table). Эта таблица содержит записи обо всех файлах и каталогах, расположенных на данном томе. Размер записи составляет один кластер, но не менее 1 Кб. Если метаданные о файле не помещаются в одной записи, то могут быть использованы дополнительные записи (не обязательно соседние).
После форматирования дискового тома, когда на нем еще нет пользовательских файлов, MFT содержит 16 записей (метафайлы), они носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы.
Рисунок 2.17 - Диск NTFS
Рисунок 2.18 - Организация главной файловой таблицы MFT.
После заполения диска данными небольшие файлы и каталоги (обычно до 1500 байт или меньше) находятся полностью внутри структуры MFT. Большие каталоги имеют записи в MFT с указателями на внешние кластеры, содержащие элементы каталога, которые не могли быть записаны внутри структуры MFT.
Основные возможности файловой системы NTFS
Надежность
Система NTFS обладает определенными средствами самовосстановления. Если при работе с файлами происходит какой-либо сбой, то эта операция отменяется и файл возвращается в исходное положение
Поскольку NTFS разрабатывалась как файловая система для серверов, в ней для повышения надежности был введен механизм аварийной замены дефектных секторов резервными. Другими словами, если обнаруживается сбой при чтении данных, то система постарается прочесть эти данные, переписать их в специально зарезервированное для этой цели пространство диска, а дефектные сектора пометить как плохие и более к ним не обращаться.
Ограничения доступа к файлам и каталогам
Это означает, что разрешение доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учетной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Если пользователь обладает необходимым уровнем разрешений, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется.
Расширенная функциональность
В системе NTFS были воплощены многие дополнительные возможности — повышенная отказоустойчивость, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных и создание файловых атрибутов, определяемых пользователем. Эта система также позволяет сжимать как отдельные файлы, так и целые каталоги.
Поддержка дисков большого объема
Система NTFS создавалась с расчетом на работу с большими дисками. Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Эбайт (один экза-байт равен 264 байт, или приблизительно 16 000 млрд гигабайт), в то время как при работе под Windows NT/2000/XP диск с FAT16 не может иметь размер более 4 Гбайт, а с FAT32 — 32 Гбайт. Количество файлов в корневом и некорневом каталогах при использовании NTFS не ограничено.
Все файловые системы выполняют следующие основные функции:
отслеживание занятого и свободного пространства на диске, а также дефектных секторов;
поддержка папок и имен файлов;
отслеживание физического расположения файлов на диске.
Но эти файловые системы являются далеко не единственными. В становящейся все более популярной и распространенной операционной системе Linux широко используются три файловые системы:
• Ext2 - файловая система для персональных компьютеров конечных пользователей;
• Ext3 - новая файловая система, появившаяся вместе с версией 7.2 операционной системы RedHat Linux, представляет собой так называемую журналируемую файловую систему и является полностью совместимой с Ext2;
• ReiserFS - более безопасная файловая система в отношении сохранности информации, применяемая на серверах данных.