3.8 Файловые системы

Часть операционной системы, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на диске и доступ к ним, называется файловой системой (ФС). Поддержка файловой системы – основного хранилища системной и пользовательской информации – важнейшая характеристика операционной системы.

С точки зрения пользователя наиболее важным аспектом файловой системы является её внешнее представление, при этом пользователь не обязан знать, в каком физическом порядке и где именно находятся его данные. Файловая система, прежде всего – это система управления данными. Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных. Файловая система скрывает от пользователя картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от конкретной конфигурации ЭВМ, т. е. предоставляет логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными. Пользователь, работая в контексте определённого языка программирования, обычно использует файлы как поименованную совокупность данных, хранимых во внешней памяти и имеющих определённую структуру. Точные правила именования файлов варьируются от системы к системе, однако все ОС поддерживают использование в качестве имён 8-символьные текстовые строки. Во многих ОС имя файла может состоять из двух частей, разделённых точкой. В некоторых ОС расширения файлов являются просто соглашениями, и ОС не заставляет пользователя их строго придерживаться. Другие ОС, например Windows, используют расширения для запуска программы, создающей данное расширение.

Наиболее распространённым видом файла, внутренняя структура которого обеспечивается файловыми системами различных ОС, являются файлы с последовательной структурой. Такие файлы можно рассматривать как набор составных элементов, называемых логическими записями, длина которых может быть как постоянной, так и переменной, и доступ к которым – последовательный. В ряде файловых систем предусматривается использование более сложных логических структур, например древовидных. На физическом уровне блоки файла (обычно размером 256 или 512 байт) могут размещаться в памяти непрерывной областью или храниться несмежно. Наиболее развитый механизм несмежного распределения блоков файлов реализован в ОС UNIX, в которой размеры файлов могут динамически изменяться в пределах 1 Гбайта.

Обычно пользователю бывает необходимо логически группировать свои файлы, поэтому требуется некий гибкий способ, позволяющий объединять файлы в группы. Это делается с помощью иерархического дерева каталогов, причём пользователь может создать себе столько каталогов и подкаталогов, сколько ему нужно. Таким образом, каталог играет роль учётного механизма, позволяющего обслуживать десятки и сотни файлов.

При организации файловой системы в виде дерева каталогов требуется некоторый способ указания файла. Для этого используется абсолютное имя пути и относительное имя пути файла. Абсолютное имя пути состоит из имён всех каталогов от корневого до того, в котором содержится файл, и имени самого файла. Это имя является уникальным. Относительное имя используется вместе с понятием текущего каталога. Если пользователь назначает какой-то каталог текущим, то к файлу из этого каталога можно обратиться просто по его имени. Каждый каталог рассматривается как файл и имеет собственное имя. Развитые многопользовательские файловые системы обеспечивают также защиту и разделение данных, хранящихся в файлах, при работе с ними разных пользователей. Так, например, каждый файл и каталог может иметь владельца. Обычно это пользователь, создавший их. Владелец может назначить тип защиты файла от других пользователей.

В файловой системе существует минимальная единица информации – кластер, размер которого является нижним пределом размера записываемой на носитель информации в рамках ФС. Минимальной единицей информации со стороны аппаратного обеспечения является сектор. От файловой системы требуется выполнение следующих действий:

• определение физического расположения частей файла;

• определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов.

Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач и имеют свои преимущества и недостатки. Так, например, файловые системы типа FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов) представляют собой образ носителя (диска) с детализацией до кластерного уровня.