Интерфейс файловой системы.

Как уже говорилось, файловая система должна организовать эффективную работу с данными, хранящимися во внешней памяти и предоставить пользователю возможности для запоминания и выборки данных в нем.

Для организации хранения информации на диске пользователь вначале обычно выполняет его форматирование, выделяя на нем место для структур данных, которые описывают состояние файловой системы в целом. Затем пользователь создает нужную ему структуру каталогов (или директорий), которые по существу являются списками вложенных каталогов и собственно файлов. И, наконец, заполняет дисковое пространство файлами, приписывая их тому или иному каталогу. Таким образом, ОС должна предоставить в распоряжение пользователя совокупность сервисов традиционно реализованных через системные вызовы, которые обеспечивают:

создание файловой системы на диске

необходимые операции для работы с каталогами

необходимые операции для работы с файлами

Кроме того, файловые службы могут решать проблемы проверки и сохранения целостности файловой системы, проблемы повышения производительности и ряд других.

Прежде чем приступить к описанию работы отдельных файловых операций, необходимо рассмотреть ключевые алгоритмы и структуры данных, которые обеспечивают функционирование файловой системы.

Функциональная схема:

21. Особенности организации некоторых файловых систем. Fat, vfat, ntfs, hpfs, ufs

Файловая система FAT (File Allocation Table)

Предназначена для ОС «MS DOS».

Одно из основных понятий файловой системы MS DOS – логический диск. В некотором приближении моно считать, что это отельный магнитный диск. Каждый логический диск имеет свое уникальное имя.

Элементы файловой структуры:

Стартовый сектор (сектор начальной загрузки, boot-сектор);

Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);

Корневой каталог (Root-Directory);

Область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).

Недостатки:

Фрагментированные файлы снижают эффективность работы;

Производительность зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге;

Отсутствуют средства разграничения доступа и существует возможность потери информации о владельце и полномочии доступа к файлу.

Достатки:

Простая структура для которой не надо много места для хранения служебных данных.

Усовершенствованная версия FAT 32 характеризуется:

Увеличен блог начальной загрузки на разделах до 2-х секторов;

Каждая запись в таблице FAT занимает 32 байта; увеличено число кластеров;4

Увеличено число зарезервированных секторов;

Расширены атрибуты файлов;

Может быть использовано в многопользовательских ОС.

Файловая система VFAT

Файловая система VFAT (виртуальная FAT) впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для файлового ввода/вывода в защищенном режиме.

Используется эта файловая система в Windows 95.

Поддерживается она также и в Windows NT 4.

VFAT - это «родная» 32-разрядная файловая система Windows95. Ее контролирует драйвер VFAT.VXD.

VFAT использует 32-разрядный код для всех файловых операций, может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима.

НО, элементы таблицы размещения файлов остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных (FAT). Т.е. формат таблицы VFAT такой же, как и формат FAT.

VFAT наряду с именами «8.3» поддерживает длинные имена файлов. (Часто говорят, что VFAT - это FAT с поддержкой длинных имен).

Основной недостаток VFAT - большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска.

Файловая система HPFS

HPFS (High Performance File System) — вы­сокопроизводительная файловая система.

HPFS впервые появилась в OS/2 1.2 и LAN Manager.

Перечислим основные особенности HPFS.

 Главное отличие - базовые принципы размещения файлов на диске и принципы хранения информации о местоположении файлов. Благодаря этим принципам HPFS имеет высокую производительность и отказоустойчивость, является надежной файловой системой.

 Дисковое пространство в HPFS выделяется не кластерами (как в FAT), а блоками. В современной реализации размер блока взят равным одному сектору, но в принципе он мог бы быть и иного размера. (По сути дела, блок — это и есть кластер, только кластер всегда равен одному сектору). Размещение файлов в таких небольших блоках позволяет более эффектив­но использовать пространство диска, так как непроизводительные потери сво­бодного места составляют в среднем всего (полсектора) 256 байт на каждый файл. Вспомним, что чем больше размер кластера, тем больше места на диске расходуется напрас­но.

 Система HPFS стремится расположить файл в смежных блоках, или, если такой возможности нет, разместить его на диске таким образом, чтобы экстенты (фрагменты) файла физически были как можно ближе друг к другу. Такой подход существенно уменьшает время позиционирова­ния головок записи/чтения жесткого диска и время ожидания (задержка между установкой головки чтения/записи на нужную дорожку). Напомним, что в FAT файлу просто выделяется первый свободный кластер.

Экстенты (extent) — фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противном случае — несколько экстентов.

 Используется метод сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска ин­формации о местонахождении файлов (каталоги хранятся в центре диска, кроме того, предусмотрена автоматиче­ская сортировка каталогов), что существенно повышает производительность HPFS (в сравнении с FAT).

 В HPFS предусмотрены специальные расширенные атрибуты файлов, позволяющие управлять доступом к файлам и каталогам.

Расширенные атрибуты (extended attributes, EAs) позволяют хранить дополнительную информацию о файле. Например, каждому файлу может быть сопоставлено его уникаль­ное графическое изображение (значок), описание файла, коммента­рий, сведения о владельце файла и т. д.

Файловая система NTFS

Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовер­шенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем.

Заметим, что за редкими исключениями, с разделами NTFS можно работать напрямую только из Windows NT, хотя и имеются для ряда ОС соответствующие реализа­ции систем управления файлами для чтения файлов из томов NTFS.

Однако полноценных реализаций для работы с NTFS вне системы Windows NT пока нет.

NTFS не поддерживается в широко распространенных ОС Windows 98 и Windows Millennium Edition.

Основные особенности NTFS

 работа на дисках большого объема происходит эффективно (намного эффективнее, чем в FAT);

 имеются средства для ограничения доступа к файлам и катало­гам  раз­делы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов;

 введен механизм транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций  существенное увеличение надежности;

 сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секто­ров и/или кластеров;

 имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS, может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode — 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS — 255 символов.

 система NTFS также об­ладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).

Основной недостаток файловой системы NTFS - служебные данные занимают много места (например, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт) - для малых раз­делов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя

Unix File System (UFS) — файловая система, созданная для операционных систем семейства BSD и используемая в переработанном и дополненном виде на данный момент как основная в операционных системах-потомках (FreeBSD, OpenBSD, NetBSD).

Поддержка данной файловой системы имеется также в ядре Linux и операционной системе Solaris.