36. Непрерывный метод

Простейший вариант физической организации – непрерывное размещение в наборе соседних кластеров (рис. 7.15a). Достоинство этой схемы – высокая скорость доступа и минимальный объем адресной информации, поскольку достаточно хранить номер первого кластера и объем файла. Размер файла при такой организации не ограничивается.

Однако у этой схемы имеется серьезный недостаток – фрагментация, возрастающая по мере удаления и записи файлов. Спустя некоторое время после создания файловой системы в результате выполнения многочисленных операций создания и удаления файлов пространство диска неминуемо превращается в «лоскутное одеяло», включающее большое число свободных областей небольшого размера. Как всегда бывает при фрагментации, суммарный объем свободной памяти может быть очень большим, а выбрать место

для размещения файла целиком невозможно. Поэтому на практике используются методы, в которых файл размещается в нескольких, в общем случае несмежных областях диска.

Кроме того, возникает вопрос, какого размера область нужно выделить файлу, если при каждой модификации он может увеличить свой размер.

И все-таки есть ситуации, в которых непрерывные файлы могут эффективно использоваться и действительно широко применяются – на компакт-дисках. Здесь все размеры файлов заранее известны и не могут меняться.

37. Метод распределения блоков в виде связного списка

решает основную проблему непрерывного выделения, то есть устраняет внешнюю фрагментацию. Каждый файл - связный список блоков диска. Запись в директории содержит указатель на первый и последний блоки файла. Каждый блок содержит указатель на следующий блок.

Внешняя фрагментация для данного метода отсутствует. Любой свободный блок может быть использован для удовлетворения запроса. Заметим, что нет необходимости декларировать размер файла в момент создания. Файл может неограниченно расти.

Связное выделение имеет, однако, несколько существенных недостатков:

Во-первых, при прямом доступе к файлу для поиска i-го блока нужно осуществить несколько обращений к диску, последовательно считывая блоки от 1 до i-1, то есть выборка логически смежных записей, которые занимают физически несмежные секторы, может требовать много времени.

Прямым следствием этого является низкая надежность. Наличие дефектного блока в списке приводит к потере информации в остаточной части файла и, потенциально, к потере дискового пространства отведенного под этот файл.

Наконец, для указателя на следующий блок внутри блока нужно выделить место. Емкость блока, традиционно являющаяся степенью двойки (многие программы читают и пишут блоками по степеням двойки), таким образом, перестает быть степенью двойки, т.к. указатель отбирает несколько байтов.

Поэтому метод связного списка обычно не используется в чистом виде.

Популярным способом, применяемым, например, в файловой системе FAT, является использование связанного списка индексов (рис. б). Этот способ является некоторой модификацией предыдущего. Файлу также выделяется память в виде связанного списка кластеров. Номер первого кластера запоминается в записи каталога, где хранятся характеристики этого файла. Остальная адресная информация отделена от кластеров файла. С каждым кластером диска связывается некоторый элемент — индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска — в MS-DOS это таблица FAT (File Allocation Table), занимающая один кластер. Когда память свободна, все индексы имеют нулевое значение. Если некоторый кластер N назначен некоторому файлу, то индекс этого кластера становится равным либо номеру М следующего кластера данного файла, либо принимает специальное значение, являющееся признаком того, что этот кластер является для файла последним. Индекс же предыдущего кластера файла принимает значение N, указывая на вновь назначенный кластер.

При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа: минимальность адресной информации, отсутствие фрагментации, отсутствие проблем при изменении размера. Кроме того, данный способ обладает дополнительными преимуществами. Во-первых, для доступа к произвольному кластеру файла не требуется последовательно считывать его кластеры, достаточно прочитать только секторы диска, содержащие таблицу индексов, отсчитать нужное количество кластеров файла по цепочке и определить номер нужного кластера. Во-вторых, данные файла заполняют кластер целиком, а значит, имеют объем, равный степени двойки.

38. ПРИ СОЗДАНИИ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ СОЗДАЮТСЯ ТАКЖЕ И СТРУКТУРЫ ДАННЫХ, СОДЕРЖАЩИЕ ИНФОРМАЦИЮ О ФАЙЛАХ. КАЖДЫЙ ФАЙЛ ИМЕЕТ СВОЙ ИНДЕКСНЫЙ ДЕСКРИПТОР, ИДЕНТИФИЦИРУЕМЫЙ ПО УНИКАЛЬНОМУ НОМЕРУ (ЧАСТО НАЗЫВАЕМОМУ 'I-НОМЕРОМ' ИЛИ 'ИНОДОМ'), В ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЕ, В КОТОРОЙ РАСПОЛАГАЕТСЯ САМ ФАЙЛ.

Индексные дескрипторы хранят информацию о файлах, такую как принадлежность владельцу (пользователю и группе), режим доступа (чтение, запись, запуск на выполнение) и тип файла. Существует определенное число индексных дескрипторов, которое указывает максимальное количество файлов, допускаемое определенной файловой системой. Обычно, при создании файловой системы примерно 1 % её выделяется под индексные дескрипторы.

Термин индексный дескриптор обычно указывает на иноды блочных устройств, управляющие постоянными файлами, каталогами и, по возможности, символьными ссылками. Подобная концепция играет важную роль при восстановлении поврежденных файловых систем.

* Номер индексного дескриптора заносится в таблицу индексных дескрипторов в определенном месте устройства; по номеру индексного дескриптора ядро системы может считать содержимое инода, включая указатели данных и прочий контекст файла.

* Номер индексного дескриптора файла можно посмотреть используя команду ls -i, а команда ls -l покажет информацию, хранящуюся в индексном дескрипторе.

* Файловые системы, не относящиеся к традиционным ФС UNIX, такие как ReiserFS, могут обходиться без таблицы индексных дескрипторов, но должны хранить аналогичную информацию схожим способом, обеспечивающим эквивалентную функциональность. Такие данные могут называться статистической информацией, по аналогии со stat — системным вызовом, поставляющим информацию программам.

Одним из вариантов связного списка является хранение указателей не в дисковых блоках, а в индексной таблице в памяти, которая называется таблицей отображения файлов (FAT - file allocation table) (см. рис. 3). Этой схемы придерживаются многие ОС (MS-DOS, OS/2, MS Windows и др.)

По-прежнему существенно, что запись в директории содержит только ссылку на первый блок. Далее при помощи таблицы FAT можно локализовать блоки файла независимо от его размера. В тех строках таблицы, которые соответствуют последним блокам файлов, обычно записывается некоторое граничное значение, например EOF.

Главное достоинство данного подхода состоит в том, что по таблице отображения можно судить о физическом соседстве блоков, располагающихся на диске, и при выделении нового блока можно легко найти свободный блок диска, находящийся поблизости от других блоков данного файла. Минусом данной схемы может быть необходимость хранения в памяти этой довольно большой таблицы.

Метод связного списка с использованием таблицы в оперативной памяти

Рис. 3. Метод связного списка с использованием таблицы в оперативной памяти