Управление данными. Файловая система
Данные, предназначенные для долговременного хранения, записываются в файлы.
Файловая система – еще один важный компонент ОС.
Функция файловой системы – управление данными, организация их размещения на внешних устройствах и хранения, доступа к ним из программ, защита данных от разрушения и несанкционированного доступа и т.д.
Информация различных типов при записи ее на хранение в файл структурируется (организовывается) различным образом. Тип файла (текстовый, графический и.п.) определяет формат представления информации в нем. Кроме того, различные программы, работающие с файлами одинаковых типов, могут использовать для хранения информации в них разные форматы.
Далее перечислены часто используемые расширения имен файлов различных типов:
SYS – System – системный файл (например драйвер);
BAT – Batch – текстовый командный файл, описывающий «пакет» команд;
EXE – Executable – «исполнимый» программный файл;
COM – Compact – «компактный» программный файл;
TXT – Text – текстовые файлы;
RAR – архивный файл, созданный с помощью программы архивации RAR (WinRAR);
ZIP – архивный файл ZIP (WinZip);
DOC – Document – файлы документов текстовых процессоров;
RTF – Rich Text Format – стандартный формат для обмена текстовыми документами, поддерживается практически всеми продуктами фирмы Microsoft и текстовым редактором Word для Macintosh;
DOT – Document Template – файл шаблона документов Word;
WRI – двоичный формат текстовых файлов Windows WRITE;
PM6, P65 – файлы публикаций издательской системы PageMaker 6.0 и 6.5;
XLS, XLA, XLT – файлы электронных таблиц Excel;
WKS, WK1, WK3 – формат файлов электронных таблиц LOTUS‑1‑2‑3;
PIC – Picture – векторный графический файл для хранения графиков и диаграмм LOTUS;
DIF – Data Interchange Format – файл с данными электронной таблицы в ASCII-формате, используемый для обмена данными (элементы форматирования и формулы теряются);
SDI – Super Data Interchange – расширение формата DIF;
PCX – графический файл, содержащий растровое изображение; используется программами PaintBrush;
IFF – файл для хранения графической и звуковой информации;
GIF – Graphics Interchange Format – формат обмена графическими файлами с помощью электронной почты; используется сжатие (уплотнение данных); этот графический формат не зависит от аппаратуры; в одном файле может храниться несколько сжатых изображений;
TIF (TIFF – Tag Image File Format) – основной формат графических файлов для издательских систем;
BMP – Bitmap-формат для хранения растровых (точечных) графических изображений; не зависит от типа устройства отображения;
CDR, CDT – файлы графического редактора CorelDraw!;
CDT – файл шаблона графического редактора CorelDraw!;
PSD, PDD – файлы Adobe PhotoShop;
JPG, JPG – графические файлы в формате JPEG (Joint Photographic Experts Group – комитет, разработавший стандарт сжатия графических изображений);
ICO – Icon-формат – формат для хранения пиктограмм в виде битовых карт с различным расширением;
WMF – Windows Metafile – формат метафайлов, используемый ля хранения векторных рисунков;
MDB – файл базы данных Microsoft (Microsoft Data Base);
DBF – файл базы данных dBase;
PPT, PPS, POT – файлы Microsoft PowerPoint (презентации, демонстрации, шаблона).
Файловая система ОС отвечает за выполнение следующих операций над файлами: создание и уничтожение, копирование и перемещение на новое место, переименование, поиск файлов по различным признакам, открытие файлов для последующего чтения или записи данных (при открытии файла система готовится к выполнению операций над ним, файл нельзя просматривать или модифицировать, пока он не открыт), закрытие файлов после выполнения операций над ними.
Для выполнения этих операций ОС создает специальные структуры данных для хранения служебной информации. Файловая система записывает важнейшие сведения о характеристиках файлов, их состоянии в справочники, или директории (каталоги).
Для удобства поиска информации файлы объединяются в структуры, складываются в папки в соответствии со своим назначением или принадлежностью. Причем папки также могут вкладываться друг в друга. Для того чтобы начать работу с файлом, нужно найти его, раскрыв всю цепочку папок, в которую он вложен, как это показано на рис. 2.5.
На рис. 2.5 в папку «Документация» вложены папки «Отчеты», «Планы» и «Сотрудники». Папка «Отчеты» содержит, в свою очередь, две папки: «Отчеты за 1998» и «Отчеты за 1999». Папка «Отчеты за 1999» открыта, на рисунке показан список содержащихся в ней файлов. «Папки» в ОС называются каталогами (или справочниками, директориями).
Справочники (директории, каталоги, папки – в различных ОС принята различная терминология) содержат информацию обо всех размещенных в них папках и файлах. Каталоги представляют собой служебные файлы, в которых хранится справочная информация, поэтому над ними можно выполнять те же операции, что и над файлами.
Файловая структура практически во всех современных ОС имеет иерархическую (древовидную) организацию.
На каждом логическом диске при его разметке (форматировании) создается собственная файловая система (этот термин используют не только для обозначения программ ОС, осуществляющих управление данными, но и для обозначения всей структуры системных справочников, каталогов).
Каталог, который служит «корнем» дерева файловой структуры на диске (каталог, который не вложен ни в какой другой каталог), называется корневым каталогом диска. Он не имеет собственного имени, для его обозначения используется имя соответствующего диска, за которым следует символ ‘\’ (например, корневой каталог диска A: обозначается как A:\).
Каждый каталог содержит список записей, каждая запись соответствует одному вложенному в каталог объекту (папке или файлу). В записи включаются имя вложенной папки или файла, его тип (расширение имени файла), размер, дата создания или последней модификации, а также атрибуты.
Каталог содержит для каждого вложенного в него объекта информацию о его размещении (местоположении на диске). Таким образом, чтобы найти файл, следует пройти по всей цепочке папок. Имена каталогов, образующие «маршрут» от корневого каталога диска до нужного файла, называются путем (элементы пути обычно отделяются друг от друга обратными слежами (символами ‘\’)). Чтобы локализовать файл, нужно указать его полное имя, составленное из пути и имени файла с расширением. Таким образом, для файла Word «Годовой отчет» из приведенного выше примера полное имя будет выглядеть так:
D:\Документация\Отчеты\Отчеты за 1999\Годовой отчет.doc
(при условии, что папка «Документация» размещается в корневом каталоге диска D:).
Атрибуты – характеристики, свойства файла – позволяют задать дополнительные правила, определяющие порядок работы с ним, ограничивающие доступ к нему. Наиболее часто используются следующие атрибуты: A – архивный файл (файл подлежит резервному копированию), R – файл только для чтения (такой файл нельзя переименовывать, удалять, модифицировать, переносить в другое место), H – скрытый файл (его можно не отображать (при соответствующих настройках) системы при просмотре папки, в которую он вложен), для системных файлов устанавливается атрибут S – системный. Перечень атрибутов зависит от операционной системы. Кроме перечисленных выше атрибутов могут определяться дополнительные атрибуты, используемые, например, механизмами защиты.
Пользователь может не только выполнять перечисленные выше операции над папками и файлами, но и изменять значения атрибутов (устанавливать их или отменять).
При создании файла система размещает информацию о нем в каталоге (папке), в который вкладывается этот файл. При выполнении операций над файлом, его модификации или перемещении все изменения фиксируются в каталогах. При удалении файла стирается и информация о нем в каталоге.
Все, сказанное выше о файловой системе, обращено к пользователю. Для реализации своих функций эта подсистема ОС должна реализовать управление внешней памятью: выделять дисковое пространство для размещения на нем файлов, организовывать быстрый поиск файлов и доступ к хранящимся в них данным, обеспечить надежность и отказоустойчивость работы внешних устройств.
Выполнение этих функций требует реализации специальных утилит проверки дисков, позволяющих выявить как их физические повреждения, так и ошибки в файловой системе, которые могут возникнуть из-за ошибок в программах, отключения питания и т.п. Эти утилиты при обнаружении ошибок исправляют их, восстанавливая файловую систему, собирая «мусор» (блоки памяти на диске, которые считаются занятыми, но стали недоступны из-за ошибок).
Для хранения данных на внешних устройствах все ОС реализуют разрывные распределения дискового пространства (память на диске выделяется кластерами, которые могут занимать несмежные участки дискового пространства). При работе с файлами ОС приходится переключаться между этими участками, а это требует дополнительного времени. Поэтому для ускорения доступа к данным все ОС включают утилиты дефрагментации (уплотнения) дисковой памяти. В результате выполнения этих процедур файлы размещаются на смежных участках дисков, а все свободные блоки объединяются в один большой свободный блок.
Эти процедуры выполняют реорганизацию дисков, в результате которой файлы, расположенные отдельными фрагментами, переписываются в непрерывный участок памяти; файлы или фрагменты, на которые нет ссылок в справочнике, уничтожаются.
Кроме того, файловая система анализирует статистику работы с файлами, чтобы расположить чаще используемые файлы на более быстрых устройствах, собрать вместе совместно используемые файлы.
Особенно важны эти функции для сетевых ОС, управляющих работой мощных файл-серверов. В таких ОС реализуется избыточность при хранении данных, оптимизируется способ их размещения на массивах дисков сервера. Примерами могут служить ОС Novell NetWare, Windows NT/2000/XP/2003.
Сама ОС, представляющая собой комплекс программ, также хранится на диске. При установке системы она размещается на системном (загрузочном) диске в корневом каталоге и в специально создаваемых при инсталляции системных каталогах.
Для того чтобы обеспечить возможность загрузки в тех случаях, когда системный диск оказывается испорченным, создаются специальные системные (загрузочные) дискеты, на которые записываются только основные компоненты ОС и утилиты, позволяющие восстановить работоспособность системы или осуществить ее переустановку. В качестве загрузочных могут использоваться и специальные компакт-диски. Порядок поиска системного диска при загрузке системы устанавливается в Setup.
При выполнении своих функций файловая система обращается «за услугами» к подсистеме ввода вывода, драйверам устройств (рис. 2.6).
Файловая система ОС ориентирована на работу с данными, рассматривая их организацию с точки зрения пользователя. Физическое представление данных на внешних устройствах зависит не от типов файлов, а от особенностей этих устройств. Выделение компонентов ОС, отвечающих за организацию взаимодействия с внешними устройствами, в отдельную подсистему позволяет скрыть от прикладных программ и других компонентов ОС особенности этих устройств.