4. Файловые системы

   1. Основные концепции

Под файловой системой (ФС) мы будем понимать часть операционной системы, представляющую собой совокупность организованных наборов данных, хранящихся на внешних запоминающих устройствах, и программных средств, гарантирующих именованный доступ к этим данным и их защиту.

Файловая система является с точки зрения пользователя первым виртуальным ресурсом (который появился в операционных системах), достаточно понятным и достаточно просто используемым во время его работы за машиной. Если сравнить ФС с другим виртуальным ресурсом — например, виртуальной памятью, то рядовому пользователю ПК может быть совсем не понятным, зачем нужен механизм виртуальной памяти. Появление ФС кардинально изменило взгляд на использование вычислительных систем. Почти сразу с момента использования вычислительной техники возникла проблема размещения данных во внешней памяти. Необходимость поддержки этого размещения обуславливалось несколькими причинами. Во-первых, была тривиальная необходимость сохранения данных: время «одноразовых» решений задач (когда требовалось, грубо говоря, лишь вычислить значение некой формулы) прошло достаточно быстро. Появились задачи, требующие больших объемов начальных данных, которые, в свою очередь, являлись результатом решения другой задачи. И эти данные надо было где-то сохранять, причем, сохранять без наличия программ, которые их используют. Как следствие, возникла проблема эффективности доступа к этим данным. Вторая необходима проблема — это само сохранение информации (и программ, и данных). Имеется в виду, сам факт долгосрочного хранения информации.

С точки зрения аппаратной поддержки можно выделить следующие этапы развития. Одним из первых внешних запоминающих устройств (ВЗУ) была магнитная лента. Магнитная лента — это устройство последовательного доступа, информация на котором хранится в виде записей (фиксированного или переменного размера). Запись структурно состоит из последовательности содержательной информации, ограниченной маркерами начала и конца записи. Для доступа к информации необходимо иметь номер соответствующей записи на ленте. Соответственно, если пользователь хотел сохранять данные на магнитной ленте, то ему было необходимо знать магнитную ленту как носитель (по номеру или по расположению в хранилище, и т.п.) и номер своей записи на этой ленте. Отметим, что относительно эффективная работа с лентой может быть достигнута лишь при персональном использовании: в случае, когда одновременно с одной лентой работают два пользователя, возникают достаточно большие накладные расходы (в частности, частое перематывание ленты на начало), что может привести даже к ее порче (разрыву). Решение проблемы корректности организации данных на магнитной ленте лежало на пользователе: если пользователь некорректно организовал запись своих данных, то он мог тем самым испортить и свои данные, и чужие записи на ленте.

На следующем этапе развития появились устройства прямого доступа (барабаны и магнитные диски), что естественно сказалось на адресации данных на носителе. Например, чтобы получить доступ к информации на диске, достаточно знать номер диска, номер поверхности, номер цилиндра и номер сектора. Но каждое устройство прямого доступа имело и свои особенности — в частности, размеры блока: у одних дисков блоки имели размер 256 байт, у других — 512 байт, и т.д. И эти особенности должен был учитывать пользователь при работе с данными устройствами. Чтобы разместить свой файл на диске, пользователь должен был разбить этот файл на блоки (в зависимости от конкретного устройства хранения), найти на диске свободные блоки, чтобы в них разместить весь свой файл, сохранить файл и запомнить координаты и последовательность блоков, в которых был сохранен файл. Заметим, что диски ориентированы на массовое использование, т.е. предполагается работа с ним двух и более пользователей, что накладывало дополнительные трудности на корректное размещение данных на диске — задачу, совершенно нетривиальную для рядового пользователя.

Подобный подход к хранению данных продлился примерно до середины 60-х — начала 70-х годов, когда в машинах второго поколения появился программный компонент операционной системы, который получил название файловая система. Повторимся, файловая система — это компонент операционной системы, обеспечивающий корректный именованный доступ к данным пользователя. Данные в файловой системе представляются в виде файлов, каждый из которых имеет имя. Главными словами в определении файловой системы являются именованный доступ и корректная работа. Последнее означает, что файловая система обеспечивает корректное управление свободным и занятым пространством на ВЗУ (заметим, что не обязательно на физическом устройстве: в качестве ВЗУ может выступить и виртуальное устройство), а также защиту от несанкционированного доступа к информации. Большинство современных файловых систем обеспечивают корректную организацию распределенного доступа к одному и тому же файлу (когда с ним могут работать два и более пользователя). Это не означает, что система будет отвечать за корректную семантику данных внутри файла: гарантируется, что система обеспечит корректный доступ пользователей к файлу с точки зрения системной организации. Также многие современные файловые системы поддерживают возможность синхронизации доступа к информации.