Понятие файловой системы. Организация данных на магнитном носителе.
Ядром операционной системы является модуль, который обеспечивает управление файлами – файловая система.
Основная задача файловой системы – обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода (накопителей на жестких дисках, магнитных лентах и т.д.). Она также определяет структуру хранения файлов и каталогов на диске, правила задания имен файлов, допустимые атрибуты файлов, права доступа и др. Обычно файловую систему воспринимают и как средство управления файлами и как общее хранилище файлов.
Функциональные возможности файловой системы можно условно разделить на группы:
1) функции для работы с файлами: создание, удаление, переименование, изменение атрибутов (свойств файлов), определение структуры файлов;
2) функции для работы с данными: чтение, запись, поиск данных, хранящихся в файлах и т.п.;
3) оптимизация операций ввода/вывода.
Файл – это поименованная последовательность любых данных, стандартная структура которой обеспечивает ее размещение в памяти машины, представляющая собой наименьшую единицу хранения информации. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, закодированное изображение и др. В каком-то смысле файл является синонимом понятия документа.
Основным атрибутом файла является его имя. Имя файла – это символьная строка, правила построения которой зависят от конкретной файловой системы. Например, в файловой системе FAT, используемой в MSDOS, длина имени файла не может превышать 11 символов3[1], три из которых предназначены для расширения4[2]. Расширение отделяется от имени точкой. Расширение имени файла является необязательным атрибутом и, как правило, информирует о типе данных, хранимых в файле, поэтому его иногда называют типом файла. Например, bat, com, exe – исполняемые файлы, для их выполнения можно указать только имя. Именно эти файлы могут быть «стартовыми» файлами компьютерных игр, текстовых редакторов и т.п.; txt – текстовые файлы.
Помимо имени атрибутами файла являются: текущий размер и максимальный размер файла; длина записи; время создания, последнего доступа и последнего изменения; владелец файла; создатель файла; пароль для доступа, признак «только чтение» и др.
Файловая система, с одной стороны, – это часть ОС, предназначенная для организации работы с хранящимися на диске данными и обеспечения совместного использования файлов несколькими пользователями и процессами, с другой стороны, – сами файлы, хранящиеся на устройствах ввода/вывода. Драйвер файловой системы обеспечивает доступ к информации, записанной на магнитный диск, по имени файла и распределяет пространство на магнитном диске между файлами.
Выделяют различные типы файловых систем, например, FAT, NTFS, CDFS.
1) Файловая система FAT (FileAllocationTable) разрабатывалась для гибких дисков, и представляет собой таблицу размещения файлов MSDOS и Windows 9x. Существует несколько ее разновидностей FAT12, FAT16, FAT32. Система имеет низкую отказоустойчивость, и при отключении питания велика вероятность потери данных. Ее преимуществом является поддержка большинством ОС.
2) NTFS (NewTechnologyFileSystem), разработанная Microsoft специально для Windows NT, поддерживает длинные имена файлов (до 255 символов); гарантирует сохранность данных в случае копирования даже при программно-аппаратном сбое или отключении электропитания; превосходит FAT по скорости работы и по эффективности использования ресурсов; обеспечивает построение компьютерных систем от рабочей станции до сервера класса мэйнфреймов; предоставляет средства для разграничения доступа и защиты информации. NTFS в именах использует набор символов Unicode5[3], автоматически для каждого файла генерирует поддерживаемое MS DOS имя (восемь плюс три символа), что дает возможность работать операционным системам MS DOS и OS/2 с файлами NTFS через сеть. Это особенно важно для файловых серверов сети, к которой подключены персональные компьютеры с этими операционными системами.
3) CDFS (CompactDiskFileSystem) – специальную файловую систему для CD-ROM.
Физическая организация данных на носителе зависит от файловой системы. В качестве примера рассмотрим файловую систему FAT. Она предусматривает выделение в процессе форматирования диска специальных областей: системной и данных. Основными компонентами системной области являются: загрузочная запись; таблицы размещения файлов (FAT) (обычно их две – основная и копия) и корневой каталог. Область данных содержит файлы и подкаталоги.
Вся область данных диска делится на кластеры (англ. cluster), которые представляют собой неделимые блоки данных одного размера на диске. Все кластеры пронумерованы. В самом начале диска размещается таблица FAT, содержащая столько записей, сколько кластеров доступно на диске. В ней отмечены используемые кластеры, неиспользуемые, содержащие нулевую информацию, а также поврежденные кластеры, которые помечаются определенным значением, после чего они уже никогда не употребляются.
Таблица FAT содержит сведения о номерах кластеров, в которых размещается файл. Наличие у каждого кластера индивидуального номера позволяет найти область расположения файла, причем необязательно, чтобы его кластеры располагались рядом. Если разные фрагменты файла располагаются в несмежных кластерах, то говорят о фрагментации файла. Каждый кластер файла содержит номер следующего в цепочке его кластеров. Таким образом, достаточно знать номер первого кластера в цепочке, который хранится в оглавлении диска, чтобы по таблице FAT определить номера всех кластеров, содержащих данный файл. Занимаемый файлом объем (<количество кластеров файла> * <размер кластера>) кратен количеству кластеров.
Каждый диск на компьютере имеет уникальное имя. Диски именуются буквами латинского алфавита. Обычно накопителям на гибких магнитных дисках (НГМД) присваиваются имена А: и В:, а винчестеру (НЖМД) – С:. Жесткий диск представляет собой физическое устройство. Для организации эффективной работы с дисковым пространством жесткого магнитного диска рекомендуется разбить его с помощью специальной программы форматирования на ряд разделов – логических дисков, каждый из которых рассматривается системой как отдельный диск и именуется последующими буквами латинского алфавита (D, E и т.д.).
На диске может храниться огромное количество разнообразных файлов. Для удобства работы с файлами, их систематизации по назначению, содержанию, авторству или другим признакам на диске создаются каталоги, структура которых определяет логическую организацию данных. Каталог – это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, сведения об их размерах, времени последнего обновления, свойствах и т.д. Каталог самого верхнего уровня – корневой (главный) каталог диска создается автоматически и не имеет имени. В нем находятся имена не только файлов, но и подкаталогов первого уровня (каталоги первого и последующих уровней создаются пользователем). Подкаталог первого уровня может содержать имена файлов и подкаталогов второго уровня и т.д. Каталог, с которым в данный момент работает пользователь, называется текущим.
Имена файлов и их атрибуты хранятся в каталоге. Если в каталоге хранится имя файла, то говорят, что этот файл находится в данном каталоге. Обращение к каталогу, если он не корневой, осуществляется по имени6[4].
На каждом диске может быть несколько каталогов. В каждом каталоге могут присутствовать файлы и другие каталоги. В зависимости от файловой системы структура каталогов может быть древовидной, когда каталог может входить только в один каталог более высокого уровня (рис. 3.2а), и сетевой, когда каталог может входить в различные каталоги (рис. 3.2б). Сетевая структура реализована в Unix, древовидная – в ОС семейства Windows.
В Windows каталог называется папкой. С папками (каталогами) и файлами могут выполняться операции создания, удаления, копирования и перемещения, а также изменение их свойств и управление доступом.