Классификация, структура, характеристики файловых систем!!! Файл и файловая структура. Операции с файлами

Файловая система позволяет систематизировать программы и данные и организовать упорядоченное управление этими объектами.

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе ОС Unix. В ОС Unix подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве.

Файловая система - это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т. д.

Файловая система – это система управления данными.

Система управления данными – система, пользователи которой освобождаются от большинства операций по физическому манипулированию файлами и могут сосредоточить внимание главным образом на логических свойствах данных.

Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система (назначение):

• скрывает картину реального расположения информации во внешней памяти;
• обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации компьютера (логический уровень работы с файлами);
• обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Файловая структура

Вся совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называется файловой структурой. Развитые операционные системы имеют иерархическую - многоуровневую файловую структуру, организованную в виде дерева.

Файловая структура в виде дерева

Используется древовидная структура каталогов – дерево каталогов. Заимствована у Unix. Иерархическая структура – структура системы, части (компоненты) которой связаны отношениями включения или подчинения.

Иерархическая структура изображается ориентированным деревом, в котором вершины соответствуют компонентам, а дуги – связям.

дерево каталогов диска G

Ориентированное дерево – это граф с выделенной вершиной (корнем), в котором между корнем и любой вершиной существует единственный путь. При этом возможны два варианта ориентации: либо все пути ориентированы от корня к листьям, либо все пути ориентированы от листьев к корню.

Деревья используются при описании и проектировании иерархических структур.

Корень – начальная позиция, листья – заключительная позиция.

Разделы

Любой жесткий или магнитооптический диск в процессе форматирования можно разделить на несколько частей и работать с ними как с отдельными (самостоятельными) дисками. Эти части называются разделами или логическими дисками. Разбиение диска на несколько логических дисков может быть необходимо из-за того, что ОС не могут работать с дисками, размер которых превышает определенную величину. Очень удобно хранить данные и пользовательские программы отдельно от системных программ (ОС), ведь ОС может «слететь с компьютера».

Раздел – область диска. Под логическим диском(разделом) в компьютере понимается любой носитель информации, с которым операционная система работает как с единым целым объектом.

Имя диска – обозначение логического диска; запись в корневом каталоге.

Логические диски (разделы) обозначаются латинскими буквами A, B, C, D, E, … (32 буквы от A до Z).

Буквы A, B зарезервированы для обозначения дискет.

С – жесткий диск, обычно с которого производится загрузка ОС.

Остальные буквы – логические диски, компакт-диски и т.д. Максимальное количество логических дисков для ОС Windows – бесконечное.

В таблице разделов указывается расположение начала и конца этого раздела и число секторов в этом разделе (место и размер).

Файловая структура логического диска

Чтобы обратиться к информации на диске, находящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора (№ поверхности + № дорожки + № сектора), общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера

Элементы файловой структуры:

стартовый сектор (начальной загрузки, Boot-сектор);

таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);

корневой каталог (Root Directory);

область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).

Файловая структура на дискете емкостью 360 кбайт

Boot-сектор – первый (начальный) сектор диска. Находится на 0- стороне, 0-дорожке.

Boot-сектор содержит служебную информацию:

размер кластера диска (кластер – блок, объединяющий в группу несколько секторов для сокращения размера FAT-таблицы);

местоположение FAT-таблицы (в вoot-секторе находится указатель на то, где расположена FAT-таблица);

размер FAT-таблицы;

количество FAT-таблиц (всегда есть как минимум 2 копии таблицы для обеспечения надежности и безопасности, т.к. разрушение FAT ведет к потере информации и трудно восстанавливается);

адрес начала корневой директории и ее максимальный размер.

В вoot-секторе находится блок начальной загрузки (загрузчик) – загрузочная запись Boot Record.

Загрузчик – обслуживающая программа, которая помещает выполняемую программу в оперативную память и приводит ее в состояние готовности к исполнению.

FAT (таблица размещения файлов)

FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. В ней определено, какие участки диска относятся к каждому файлу.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров.

FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных.

FAT состоит из элементов длиной 16 /32/64 бита. Всего в таблице может быть до 65520 таких элементов, каждый из них (кроме первых двух) соответствует кластеру диска. Кластер является той единицей, в которой распределяется пространство в области данных на диске для файлов и каталогов. Первые два элемента таблицы (с номерами 0 и 1) зарезервированы, а каждый из остальных элементов таблицы описывает состояние кластера диска с тем же номером. Элемент может указывать, что кластер свободен, что кластер дефектный, что кластер принадлежит файлу и является последним кластером в файле. Если кластер принадлежит файлу и не является его последним кластером, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера в этом файле.

FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения.

Для разных ОС необходимы разные версии FAT

Windows 95 FAT 16, FAT 32

Windows NT (XP) NTFS

Novell Netware TurboFAT

UNIX NFS,ReiserFS

Логическая структура носителя информации

Полная информация о кластерах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов FAT (FAT - File Allocation Table).

Количество ячеек FAT соответствует количеству кластеров на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, т.е. последовательности адресов кластеров, в которых хранятся файлы..

Например, для файлов Файл_1 и Файл_2 таблица FAT с 1-й по 54-ю ячейку принимает вид:

Фрагмент FAT

Это определенная область диска, создаваемая в процессе инициализации (форматировании) диска, где содержится информация о файлах и каталогах, хранящихся на диске. Корневой каталог всегда существует на отформатированном диске.

Он не вложен ни в какие другие каталоги, это каталог самого верхнего уровня

На одном диске бывает только один корневой каталог

Каталог - это поименнованная совокупность файлов и подкаталогов (т.е. вложенных каталогов).

Каталог (папка) – специальное место на диске, в котором хранится информация о местоположении файлов.

В каталоге хранится информация о файлах и подкаталогах - имя, размер, дата и время последнего обновления и т.п.

Каждый каталог имеет имя, и он может быть зарегистрирован в другом каталоге.

Основная цель такой структуры каталогов – организация эффективного хранения большого количества файлов на диске.

Подкаталог – каталог более низкого уровня (вложенный) по отношению к текущему каталогу.

Текущий каталог (папка)– каталог, с которым в данный момент работает пользователь (просматривает содержимое каталога).

пример файловой структуры диска С

Перейдем в следующей теме к главному элементу файловой системы - ФАЙЛУ

Как установить такие кнопки?

Давайте дружить!

komputercnulja.ru

Файлы и файловые структуры - Информатика в школе

Логические имена устройств внешней памяти

К каждому компьютеру может быть подключено несколько устройств внешней памяти. Основным устройством внешней памяти ПК является жёсткий диск. Если жёсткий диск имеет достаточно большую ёмкость, то его делят на несколько логических разделов.

Наличие нескольких логических разделов на одном жёстком диске обес­печивает пользователю следующие преимущества:

Можно хранить операционную систему в одном логическом разделе, а данные - в другом, что позволит переустанавливать операционную систему, не затрагивая данные;

На одном жёстком диске в различные логические разделы можно установить разные операционные системы;

Обслуживание одного логического раздела не затрагивает другие разделы.

Каждое подключаемое к компьютеру устройство внешней памяти, а также каждый логический раздел жёсткого диска имеют логическое имя.

В операционной системе Windows приняты логические имена устройств внешней памяти, состоящие из одной латинской буквы и знака двоеточия:

Для дисководов гибких дисков (дискет) - А: и В:;

Для жёстких дисков и их логических разделов - С:, D:, Е: и т. д.;

Для оптических дисководов - имена, следующие по алфавиту после имени последнего имеющегося на компьютере жёсткого диска или раздела жёсткого диска (например, F:);

Для подключаемой к компьютеру флэш-памяти - имя, следующее за последним именем оптического дисковода (например, G:).

В операционной системе Linux приняты другие правила именования дисков и их разделов.

Например:

Логические разделы, принадлежащие первому жёсткому диску, получают имена hdal, hda2 и т. д.;

Логические разделы, принадлежащие второму жёсткому диску, получают имена hdbl, hdb2 и т. д.

Все программы и данные хранятся во внешней памяти компьюте­ра в виде файлов.

Файл - это поименованная область внешней памяти.

Файловая система - это часть ОС, определяющая способ органи­зации, хранения и именования файлов на носителях информации.

Файл характеризуется набором параметров (имя, размер, дата со­здания, дата последней модификации) и атрибутами, используемы­ми операционной системой для его обработки (архивный, систем­ный, скрытый, только для чтения). Размер файла выражается в бай­тах.

Имя файла, как правило, состоит из двух частей, разделённых точкой: собственно имени файла и расширения. Собственно имя файлу даёт пользователь. Делать это рекомендуется осмысленно, от­ражая в имени содержание файла, хотя пользователь может задавать в качестве имени произвольный набор символов. Расширение имени обычно задаётся программой автоматически при создании файла. Расширения не обязательны, но они широко используются. Расширение позволяет пользователю, не открывая файла, определить его тип - какого вида информация (программа, текст, рисунок и т. д.) в нём содержится. Расширение позволяет операционной системе авто­матически открывать файл.

В современных операционных системах имя файла может включать до 255 символов, причём в нём можно использовать буквы национальных алфавитов и пробелы. Расширение имени файла запи­сывается после точки и обычно содержит 3-4 символа.

В ОС Windows в имени файла запрещено использование следующих символов: \, /, :, *, ?, ", |. В Linux эти символы, кроме /до­пустимы, хотя использовать их следует с осторожностью, так как некоторые из них могут иметь специальный смысл, а также из соображений совместимости с другими ОС.

Операционная система Linux, в отличие от Windows, различает строчные и прописные буквы в имени файла: например, FILE.txt, file.txt и FiLe.txt - это в Linux три разных файла.

В таблице приведены наиболее распространённые типы файлов и их расширения:

В ОС Linux выделяют следующие типы файлов:

Обычные файлы - файлы с программами и данными;

Каталоги - файлы, содержащие информацию о каталогах;

Специальные файлы устройств - файлы, используемые для представле­ния физических устройств компьютера (жёстких и оптических дисково­дов, принтера, звуковых колонок и т. д.).

Каталоги

На каждом компьютерном носителе информации (жёстком, оптическом диске или флэш-памяти) может храниться большое количест­во файлов. Для удобства поиска информации файлы по опре­делённым признакам объединяют в группы, называемые каталогами или папками.

Каталог также получает собственное имя. Он сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Каждый каталог может содержать множество файлов и вложенных каталогов.

Каталог - это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (вложенных каталогов).

Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом.

В ОС Windows любой информационный носитель имеет корневой каталог, который создаётся операционной системой без участия поль­зователя. Обозначаются корневые каталоги добавлением к логическому имени соответствующего устройства внешней памяти знака «\» (обратный слэш): А:\, С:\, D:\, E:\ и т. д.

В Linux каталоги жёстких дисков или их логических разделов не принадлежат верхнему уровню файловой системы (не являются коричневыми каталогами). Они «монтируются» в каталог mnt. Другие устройства внешней памяти (гибкие, оптические и флэш-диски) «монтируются» в каталог media. Каталоги mnt и media, в свою оче­редь, «монтируются» в единый корневой каталог, который обознача­ется знаком « / » (прямой слэш).

Файловая структура диска

Файловая структура диска - это совокупность файлов на диске и взаи­мосвязей между ними.

Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов. В этом случае оглавление диска представляет собой линейную последова­тельность имён файлов (рис. 2.8). Его можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит названия входящих в неё расска­зов и номера страниц.

Иерархические файловые структуры используются для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов. Иерархия - это рас­положение частей (элементов) целого в порядке от высшего к низшим. Начальный (корневой) каталог содержит файлы и вложенные каталоги первого уровня. Каждый из каталогов первого уровня может содержать файлы и вложенные каталоги второго уровня и т. д. (рис. 2.9). В этом случае оглавление диска можно сравнить с оглавлением нашего учебника: в нём выделены главы, состоящие из параграфов, которые, в свою очередь, разбиты на отдельные пункты и т. д.

Пользователь, объединяя по собственному усмотрению файлы в каталоги, получает возможность создать удобную для себя систему хранения информации. Например, можно создать отдельные каталоги для хранения текстовых документов, цифровых фотографий, мелодий и т.д.; в каталоге для фотографий объединить фотографии по годам, событиям, принадлелености и т.д. Знание того, какому каталогу принадлежит файл, значительно ускоряет его поиск.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом. В Windows каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев; в Linux каталоги объ­единяются в одно дерево, общее для всех дисков (рис. 2.10). Древовидные иерархические структуры можно изображать вертикально и горизонтально.

Полное имя файла

Чтобы обратиться к нужному файлу, хранящемуся на некотором диске, можно указать путь к файлу - имена всех каталогов от кор­невого до того, в котором непосредственно находится файл.

В операционной системе Windows путь к файлу начинается с логи­ческого имени устройства внешней памяти; после имени каждого подкаталога ставится обратный слэш. В операционной системе Linux путь к файлу начинается с имени единого корневого каталога; после имени каждого подкаталога ставится прямой слэш.

Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла. Не может быть двух файлов, имеющих одина­ковые полные имена.

Пример полного имени файла в ОС Windows: Е:\изображения\фото\Катунь.jpg

Пример полного имени файла в ОС Linux: /home/methody/text

Задача 1. Пользователь работал с каталогом С:\Физика\Задачи\Кинематика. Сначала он поднялся на один уровень вверх, затем ещё раз поднялся на один уровень вверх и после этого спустился в ка­талог Экзамен, в котором находится файл Информатика.doc. Каков путь к этому файлу?

Решение. Пользователь работал с каталогом С:\Физика\Задачи\Кинематика. Поднявшись на один уровень вверх, пользователь оказался в ка­талоге С:\Физика\Задачи. Поднявшись ещё на один уровень вверх, пользователь оказался в каталоге С:\Физика. После этого пользова­тель спустился в каталог Экзамен, где находится файл. Полный путь к файлу имеет вид: С:\Физика\Экзамен

Задача 2. Учитель работал в каталоге 0:\Уроки\8 класс\Практические работы. Затем перешёл в дереве каталогов на уровень выше, спустился в подкаталог Презентации и удалил из него файл Введение.ppt. Каково полное имя файла, который удалил учитель?

Решение. Учитель работал с каталогом 0:\Уроки\8 класс\Практические работы. Поднявшись на один уровень вверх, он оказался в каталоге Б:\Уроки\8 класс. После этого учитель спустился в каталог Презентации, путь к файлам которого имеет вид: Б:\Уроки\8 класс\Презентации. В этом каталоге он удалил файл Введение.ppt, полное имя которого 0:\Уроки\8 класс\ Презентации \Введение.ppt

Работа с файлами

Создаются файлы с помощью систем программирования и прикладного программного обеспечения.

В процессе работы на компьютере над файлами наиболее часто проводятся следующие операции:

Копирование (создаётся копия файла в другом каталоге или на дру­гом носителе);

Перемещение (производится перенос файла в другой каталог или на другой носитель, исходный файл уничтожается);

Переименование (производится переименование собственно имени файла);

Удаление (в исходном каталоге объект уничтожается).

При поиске файла, имя которого известно неточно, удобно использовать маску имени файла. Маска представляет собой последовательность букв, цифр и прочих допустимых в именах файлов символов, среди которых также могут встречаться следующие символы:

«?» (вопросительный знак) - означает ровно один произвольный символ;

«*» (звездочка) - означает любую (в том числе и пустую) по­следовательность символов произвольной длины.

Например, по маске n*.txt будут найдены все файлы с расширением txt, имена которых начинаются с буквы «n», в том числе и файл n.txt. По маске n?.* будут найдены файлы с произвольными расширениями и двухбуквенными именами, начинающимися с буквы «n».

САМОЕ ГЛАВНОЕ

Основным устройством внешней памяти ПК является жёсткий диск. Если жёсткий диск имеет достаточно большую ёмкость, то его делят на несколько логических разделов. Каждое подключаемое к компьютеру устройство внешней памяти, а так лее каждый логический раздел жёсткого диска имеют логические имена.

Файл - это поименованная область внешней памяти. Имя файла, как правило, состоит из двух частей, разделённых точкой: собственно имени файла и расширения.

Каталог - это поименованная совокупность файлов и подкатало­гов (вложенных каталогов). Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом.

Файловая структура диска - это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними. Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Путь к файлу - имена всех каталогов от корневого до того, в котором непосредственно находится файл. Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла. Полное имя файла уникально.

sites.google.com

§11. О файлах и файловых структурах

Основные темы параграфа:

что такое файл;

имя файла;

логические диски;

файловая структура диска;

путь к файлу, полное имя файла;

таблица размещения файлов на диске.

Что такое файл

Информация на внешних носителях хранится в виде файлов. Работа с файлами является очень важным видом работы на компьютере. В файлах хранится все: и программ­ное обеспечение, и информация, необходимая для пользова­теля. С файлами, как с деловыми бумагами, постоянно при­ходится что-то делать: переписывать их с одного носителя на другой, уничтожать ненужные, создавать новые, разы­скивать, переименовывать, раскладывать в том или другом порядке и пр.

Файл - это информация, хранящаяся на внешнем носителе и объединенная общим именем.

В каждом файле хранится отдельный информационный объект: документ, статья, числовой массив, программа и пр. Заключенная в файле информация становится активной, т. е. может быть обработана компьютером, только после того, как она будет загружена в оперативную память,

Любому пользователю, работающему на компьютере, приходится иметь дело с файлами. Даже для того, чтобы по­играть в компьютерную игру, нужно узнать, в каком файле хранится ее программа, суметь отыскать этот файл и ини­циализировать работу программы.

Работа с файлами на компьютере производится с помо­щью файловой системы. Файловая система - это функцио­нальная часть ОС, обеспечивающая выполнение операций над файлами.

Чтобы найти нужный файл, пользователю должно быть известно: а) какое имя у файла; б) где хранится файл1.

Имя файла

Практически во всех операционных системах имя файла составляется из двух частей, разделенных точкой. Например:myprog.pas

Слева от точки находится собственно имя файла (myprog). Следующая за точкой часть имени называется расши­рением файла (pas). Обычно в именах файлов употребляются латинские буквы и цифры. В большинстве ОС максимальная длина расширения - 3 символа. Кроме того, имя файла мо­жет и не иметь расширения. В операционной системе Win­dows в именах файлов допускается использование русских букв; максимальная длина имени - 255 символов.

Расширение указывает, какого рода информация хранит­ся в данном файле. Например, расширение txt обычно обо­значает текстовый файл (содержит текст); расширение рсх - графический файл (содержит рисунок), zip или гаг - архивный файл (содержит архив - сжатую информацию), pas - программу на языке Паскаль.

Логические диски

На одном компьютере может быть несколько дисково­дов - устройств работы с дисками. Каждому дисководу при­сваивается одно буквенное имя (после которого ставится двоеточие), например А:, В:, С:. Часто на персональных компьютерах диск большой емкости, встроенный в систем­ный блок (его называют жестким диском), делят на разделы. Каждый из таких разделов называется логическим диском, и ему присваивается имя С:, D:, Е; и т. д. Имена А: и В: обычно относятся к сменным дискам малого объема - гиб­ким дискам (дискетам). Их тоже можно рассматривать как имена дисков, только логических, каждый из которых пол­ностью занимает реальный (физический) диск. Следователь­но, А:, В:, C:, D: - это всё имена логических дисков,

Имя логического диска, содержащего файл, является пер­вой «координатой», определяющей место расположения файла.

Файловая структура диска

Вся совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называется файловой структурой. Различные ОС мо­гут поддерживать разные организации файловых структур. Существуют две разновидности файловых структур: простая, или одноуровневая, и иерархическая - многоуровневая.

Одноуровневая файловая структура - это простая по­следовательность фай лов. Для отыскания файла на диске до­статочно указать лишь имя файла. Например, если файл tetris.exe находится на диске А:, то его «полный адрес» выгля­дит так:

Операционные системы с одноуровневой файловой струк­турой используются на простейших учебных компьютерах, оснащенных только гибкими дисками.

Многоуровневая файловая структура - древовидный (иерархический) способ организации файлов на диске. Для облегчения понимания этого вопроса воспользуемся анало­гией с традиционным «бумажным» способом хранения ин­формации. В такой аналогии файл представляется как неко­торый озаглавленный документ (текст, рисунок) на бумаж­ных листах. Следующий по величине элемент файловой структуры называется каталогом. Продолжая «бумажную» аналогию, каталог будем представлять как папку, в которую можно вложить множество документов, т. е, файлов. Ката­лог также получает собственное имя (представьте, что оно написано на обложке папки).

Каталог сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Это аналогично тому, как пап­ка вкладывается в другую папку большего размера. Таким образом, каждый каталог может содержать внутри себя мно­жество файлов и вложенных каталогов (их называют подка­талогами). Каталог самого верхнего уровня, который не вло­жен ни в какой другой каталог, называется корневым ката­логом.

В операционной системе Windows для обозначения поня­тия «каталог» используется термин 4папка».

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом.

На рис. 2.9 имена каталогов записаны прописными буква­ми, а файлов - строчными. Здесь в корневом каталоге име­ются две папки: IVANOV и PETROV и один файл fin.com. Папка IVANOV содержит в себе две вложенные папки PROGS и DATA. Папка DATA - пустая; в папке PROGS имеются три файла и т. д, На дереве корневой каталог обыч­но изображается символом \.

Путь к файлу

А теперь представьте, что вам нужно найти определенный документ. Для этого надо знать ящик, в котором он находит­ся, а также «путь» к документу внутри ящика: всю последо­вательность папок, которые нужно открыть, чтобы до­браться до искомых бумаг.

Второй координатой, определяющей место положения файла, является путь к файлу на диске. Путь к файлу - это последовательность, состоящая из имен каталогов» начиная от корневого и заканчивая тем, в котором непосредственно хранится файл.

Вот всем знакомая сказочная аналогия понятия «путь к файлу «На дубе висит сундук, в сундуке - заяц, в зайце - утка, в утке - яйцо, в яйце - игла, на конце которой смерть Кощеева».

Последовательно записанные имя логического диска, путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла.

Если представленная на рис. 2.9 файловая структура хра­нится на диске С:, то полные имена некоторых входящих в нее файлов в символике операционных систем MS-DOS и Windows выглядят так:

Таблица размещения файлов

Сведения о файловой структуре Диска содержатся на этом же диске в виде таблицы размещения файлов. Используя файловую систему ОС, пользователь может последовательно просматривать на экране содержимое каталогов (папок), продвигаясь по дереву файловой структуры вниз или вверх.

На рис. 2.10 показан пример отображения на экране компьютера дерева каталогов на логическом диске Е: (левое окно).

В правом окне представлено содержимое папки ARCON. Это множество файлов различных типов. Отсюда, например, понятно, что полное имя первого в списке файла следующее:

Из таблицы можно получить дополнительную информа­цию о файлах. Например, файл dos4gw.exe имеет размер 254 556 байтов и был создан 31 мая 1994 года в 2 часа 00 мин.

Найдя в таком списке запись о нужном файле, применяя команды ОС, пользователь может выполнить с ним различ­ные действия: инициализировать программу, содержащуюся в файле; удалить, переименовать, скопировать файл. Выпол­нять все эти операции вы научитесь на практическом заня­тии.

Коротко о главном

Файл - это информация, хранящаяся на внешнем носи­теле и объединенная общим именем.

Файловая система - это функциональная часть ОС, обес­печивающая выполнение операций с файлами.

Имя файла состоит из собственно имени и расширения. Расширение указывает на тип информации в файле (тип файла).

Файловая структура диска - это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними. Файловые структуры бы­вают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Каталог - это поименованная совокупность файлов и под­каталогов (вложенных каталогов). Каталог самого верхнего уровня называется корневым. Он не вложен ни в какие ката­логи.

Полное имя файла состоит из имени диска, пути к файлу на диске и имени файла.

Вопросы и задания

1.Как называется операционная система» используемая в вашем компьютерном классе?

2.Какую файловую структуру использует операционная система на ваших компьютерах (простую, многоуровневую)?

3.Сколько физических дисководов работает на ваших компьюте­рах? Сколько логических дисков находится на физических ди­сках и какие имена они имеют в операционнсй системе?

4.Каким правилам подчиняются имена файлов в вашей ОС?

5.Что такое путь к файлу на диске, полное имя файла?

6.Научитесь (под руководством учителя) просматривать на экра­не каталоги дисков на ваших компьютерах.

7.Научитесь инициализировать работу программ из программ­ных файлов (типа exe, com).

8.Научитесь выполнять основные файловые операции в исполь­зуемой ОС (копирование, перемещение, удаление, переимено­вание файлов).

txtbooks.ru

Файл и файловая структура. Операции с файлами

Для того чтобы понять, по каким принципам функционируют компьютерные системы, недостаточно просто взаимодействовать с «операционкой» на визуальном уровне. Для полного понимания всего происходящего следует четко себе представлять, что такое файл и файловая структура. При рассмотрении данной темы будет указано, зачем это нужно.

Понятие файла и файловой структуры

Для начала нужно определиться с самыми главными терминами и понятиями. Ключевым здесь является понятие файла, которое и определяет механизмы работы системы в программном плане.

Итак, файл – это объект, содержащий определенную информацию. Чтобы понять, что такое файлы данных, файловые структуры и их взаимодействие, лучше привести пример из жизни, скажем, сравнить эти понятия с обычной книгой.

Каждый знает, что практически в любой книге можно встретить обложку, страницы, оглавление, главы и разделы. Для простейшего понимания, обложка – это вся файловая система в совокупности, страницы – папки (директории), в которых хранятся отдельные файлы, оглавление – файловый менеджер, главы и разделы – файлы, содержащие конкретную информацию.

Как правило (не всегда, правда), обозначение объекта, называемого файлом, состоит из двух частей: имени и расширения. Собственно, имя может быть абсолютно произвольным и задаваться на разных языках. Расширение – это специальное обозначение из трех и более латинских литер, которое указывает на тип данных. Проще говоря, по расширению можно понять, какой программе сопоставлен файл, является ли он системным и т. д.

Открытие файла по умолчанию в любой операционной системе производится двойным кликом мыши. Однако не факт, что все можно открыть таким способом. Простейший пример: исполняемые файлы в Windows, имеющие расширение.exe, так запустить можно, а вот те же динамические библиотеки, в расширении обозначаемые как.dll, хоть и содержат исполняемые коды, тем не менее, таким способом не открываются. Связано это только с тем, что обращение к их содержимому производится посредством других программных компонентов, или вызов кода осуществляется специализированными компонентами самой операционной системы. Но это самый простой пример.

Файлы (объекты), не соответствующие ни операционной системе, ни какой-либо программе, открыть будет не так просто. Грубо говоря, ни одна «операционка» не поймет, какое именно средство для открытия нужно запустить. В лучшем случае будет предложено выбрать соответствующую программу самому из предоставляемого списка вероятных решений.

Файлы и файловая структура: информатика на заре развития компьютерных технологий

Теперь посмотрим, что собой представляли информационные технологии, когда только появились первые компьютеры. Считается, что основной системой, используемой в то время, была примитивная по нынешним временам DOS, в которой для доступа к функциям нужно было вводить специализированные команды.

С появлением уникального детища Norton Commander такая необходимость не то чтобы отпала (некоторые команды все равно прописывать было нужно), а, скорее, уменьшилась. Именно этот файловый менеджер, исходя из нашего примера, и можно назвать оглавлением, поскольку все данные, хранящиеся на жестком диске или внешнем носителе, были четко структурированы.

Файлы и папки

Как уже понятно, в любой системе существует несколько основных видов объектов. Файл и файловая структура, кроме основного элемента (файла), неотделимы от понятия папки. Иногда данный термин обозначается как «каталог» или «директория». По сути, это раздел, в котором хранятся отдельные компоненты.

В принципе, не говоря о книжных страницах, наиболее четко понятие папки можно выразить, если посмотреть на какой-нибудь комод с множеством ящиков, в которых что-то лежит. Вот это «что-то» и есть файлы, а ящики – директории.

Простейшие примеры поиска файлов

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод насчет быстрого поиска информации. В любой ныне существующей «операционке» имеются средства для этой цели. В том же файловом менеджере (к примеру, «Проводник» Windows), в специальном поле, достаточно ввести хотя бы часть названия файла, после чего система выдаст все объекты, содержащие введенную строку.

Однако для более точного поиска иногда нужно знать, где именно располагается искомый файл. Грубо говоря, необходимо выбрать определенный ящик в комоде, где находится нужный нам предмет. Сам поиск производится при помощи стандартного средства в файловом менеджере, но можно использовать и сочетание вроде Ctrl + F, которое вызывает поисковую строку.

Что такое файловая система?

Файлы и файловые структуры нельзя представить себе без понимания файловой системы. Заметьте, файловая структура и файловая система – не одно и то же. Структура – это основной вид упорядочивания файлов, если хотите, систематизации данных, а вот файловая система – метод, определяющий работу структуры. Иными словами, это принцип обработки данных в плане их размещения на жестком диске или любом другом носителе информации.

Сегодня файловых систем можно найти достаточно много. К примеру, наиболее известными для Windows с момента развития компьютерной техники стали системы FAT с архитектурой 8, 16, 32 и 64 бита, NTFS и ReFS. Файловая система, структура файла, способ упорядочивания тесно связаны между собой. Но теперь несколько слов о самих системах.

Не говоря о технических подробностях, следует отметить, что основное различие между ними состоит только в том, что FAT имеет больший размер кластера для хранения и ускоренного доступа к файлам небольшого объема, а NTFS и ReFS оптимизированы для больших массивов данных и быстрого доступа к ним на максимальной скорости считывания информации с жесткого диска.

Операции с файлами

Теперь посмотрим с другой стороны на то, что представляет собой файловая структура операционных систем. Операции с файлами, которые предусмотрены в любой «операционке», в общем-то, особо и не различаются.

Среди основных выделяют создание файла, открытие, просмотр, редактирование, сохранение, переименование, копирование, перемещение, удаление и т. д. Такие действия являются стандартными для всех существующих систем. Однако есть и некоторые специфичные функции.

Архивация данных

Среди специфичных функций в первую очередь можно выделить сжатие файлов и папок, называемое архивацией, а также обратный процесс – извлечение данных из архива. На момент разработки системы DOS создание архивных типов данных в основном сводилось к использованию стандарта ARJ.

Но с появлением технологий ZIP-архивирования такие процессы получили новое развитие. Впоследствии был создан и универсальный архиватор RAR. Эти технологии сейчас представлены в любой «операционке» даже без необходимости устанавливать дополнительное ПО. Файловая структура ОС операции с файлами в этом ракурсе трактуется как виртуальносжатие. По сути, технологии сжатия просто дают системе указание на то, чтобы она определяла не искомый размер, а меньший. Сам информационный объем файла или папки при архивации не меняется.

Управление отображением объектов

Понятия «файловая структура», «структура файла» и т. д. следует рассматривать еще и с точки зрения возможности видения самих объектов. Не секрет, что практически все пользователи современных ПК сталкивались с термином «скрытые файлы и папки».

Что это такое? Означает это только то, что в системе установлено ограничение на отображение некоторых объектов (например, системных файлов и папок, чтобы пользователь их случайно не удалил). То есть в физическом плане они с жесткого диска никуда не деваются, просто файловый менеджер их не видит.

Чтобы отобразить все скрытые объекты, в том же «Проводнике» следует использовать меню «Вид», где на соответствующей вкладке ставится галочка в строке отображения всех скрытых папок и файлов. После включения такого вида объекты будут иметь полупрозрачные иконки.

С поиском скрытых объектов тоже могут возникнуть трудности. При вводе имени файла или его расширения даже с указанием конкретного местоположения при отключенном отображении таких объектов результата не будет (система ведь не видит их). Для того чтобы их найти, нужно в начале и в конце имени корневой папки вводить символ %. Например, для поиска директории AppData, которая является скрытой и располагается в локальной папке настроек конкретного пользователя, следует использовать строку поиска %USERPROFILE%\AppData. Только в этом случае файл и файловая структура в целом получат ключ к взаимосвязи.

Заключение

Вот кратко и все, что касается понимания основных терминов. В принципе, понять, что такое файл и файловая структура, на элементарных примерах не так уж и сложно. Напоследок, если хотите, можно определить эти термины как кирпичи и стену, из которых она складывается. Кирпич – это файл, стена – файловая структура, где каждый кирпичик занимает строго определенное, положенное только ему место.

Специально не рассматривались некоторые технические аспекты или классические определения, принятые в программировании и компьютерных технологиях, чтобы читателю материал был понятен на элементарном уровне.

fb.ru

Файловая структура (система). Представление о файле и каталоге

Методическая разработка урока

Одно из назначений компьютера – это долговременное хранение данных, которые чаще всего сохраняются на жестком диске. Выясним, каким образом организовано их хранение.

Данные – это любая информация. Данными можно назвать текст, рисунок, таблицу. Сохраняя определенные данные на диске, мы предполагаем, что когда-нибудь они нам понадобятся снова. Но как их потом найти? Необходимо знать, где были сохранены эти данные, а также имя, по которому к ним обращаться. Для сохранения адреса и имени области диска, где хранятся конкретные данные, было введено понятие файла. Итак, файл – это именованное место на диске для хранения данных определенного типа.

Файлов может быть слишком много и они могут находиться в разных местах жесткого диски. Однако человеку ориентироваться в беспорядочном размещении файлов вряд ли будет удобно. Для того, чтобы упорядочить и систематизировать файлы, был придуман особый тип файла – каталог, который представляет собой список ссылок на файлы с данными или другие каталоги. Если в операционной системе открыть каталог, то можно увидеть файлы и другие каталоги, которые как бы в нем хранятся. На самом деле эти вложенные файлы могут находиться в разных местах жесткого диска, но операционная система покажет их вместе.

Часто каталоги называют также директориями или папками. Все три термина обозначают одно и тоже.

Получаем дерево?!

Итак, каждый файл в операционной системе должен находиться в каталоге, а также, каждый каталог (за одним исключением) должен находиться в другом каталоге. Исключением является так называемый “корневой каталог”, с которого все начинается. Кроме того, не может быть ситуации, когда один каталог ссылается на второй, а тот, обратно, на первый.

Описанное выше можно представить в виде дерева, у которого ствол и ветви являются каталогами, а листья – файлами. От любой ветви может отрастать ветка следующего порядка и/или листья, т.е. любой каталог может содержать вложенные каталоги и/или файлы с данными.

Можно сделать следующий вывод: файловая система в операционной системе – это логическая структура файлов и каталогов. Структуру, описанную выше, часто называют иерархической или древовидной. Она характерна для большинства операционных систем. Однако существуют и некоторые отличия. Так в операционных системах, основанных на ядре Linux, существует лишь один корневой каталог. Обозначается он символом слеша (/) и содержит больше десятка вложенных каталогов. В ОС семейства Windows корневых каталогов столько, сколько разделов жесткого диска доступно системе.

Каждому файлу – адрес!

Из вышеописанной структуры можно заключить, что у каждого файла и каталога должен быть свой адрес.

На предыдущем рисунке можно видеть, что каталог less находиться в каталоге sasha. Тот в свою очередь в каталоге home, который находится непосредственно в корневом каталоге. Адрес записывается следующим образом: сначала пишется корневой каталог «/», и далее указываются каталоги, начиная с самого верхнего (родительского) и заканчивая самым нижним (дочерним), разделяемые между собой все тем же «/». В нашем примере адрес каталога less, будет выглядеть так: /home/sasha/less. Адрес и имя файла, формируют его полное имя. При этом следует запомнить правило: в операционной системе не может быть двух файлов (или каталогов) с одинаковыми полными именами.

Адресация, описанная выше, является абсолютной (т.е. адрес записывается, начиная с корневого каталога). Помимо абсолютной нередко используют относительную адресацию, где запись адреса начинается не с корневого каталога, а относительно текущего (того, который открыт в данный момент). Например, если мы, находясь в каталоге sasha, захотим перейти в каталог vaniy, то следует написать такой адресный путь: ../vaniy. Здесь две точки обозначают переход на уровень выше (в данном случае каталог /home). Если из каталога sasha потребуется перейти в каталог less, то достаточно будет указать просто имя этого каталога less; хотя более правильным будет такой вариант: ./less. Одна точка обозначает текущий каталог.

Файловый менеджер – ваш помощник

Как перемещаться по дереву каталогов, просматривать их содержимое и управлять им? Для этих целей используется так называемые файловые менеджеры (современные менеджеры графических оболочек называют также браузерами, т.к. они позволяют просматривать некоторые типы файлов).

В графической оболочке GNOME по умолчанию таким менеджером/браузером является Nautilus. Запустить его можно через Главное меню (Приложения -> Система -> Обозреватель файлов) или другими способами.

Опишем структуру окна данного браузера и основные принципы навигации в нем.

В окне Наутилуса можно выделить пять частей. Первая, – строка меню (содержит пункты Файл, Правка, Вид и т.д.) - где осуществляется доступ к командам браузера. Вторая – панель инструментов (кнопки Назад, Вперед, Вверх и т.д.) - содержит наиболее используемые команды меню, реализованные в виде кнопок. Третья – адресная строка – содержит поле, отображающее адрес текущего каталога. Четвертая (слева) – это боковая панель – в данном случае отображающее дерево каталогов. И пятая (самая большая часть) – это область просмотра – отображает содержимое текущего каталога.

Остановимся на боковой панели, отображающей дерево каталогов (помимо этого панель может быть настроена на отображения сведений, заметок и истории текущего каталога). Знак перевернутого треугольника, расположенный у каталога обозначает, что в нем находятся другие каталоги и/или файлы. Если нажать на этот знак, то отобразятся вложенные в него каталоги. Повторное нажатие закроет структуру каталога. Если щелкнуть левой кнопкой мыши непосредственно по каталогу, то его содержимое отобразится в области просмотра.

Кнопка Назад на Панели инструментов возвращает нас в каталог, который был текущим до этого. Кнопка Вверх позволяет перейти в родительский каталог по отношению к текущему. Кнопка Перезагрузить обновляет вид содержимого текущего каталога (полезна в случаях, когда известно, что в каталоге произошли изменения, но браузер их еще не отобразил). Кнопка Домой делает текущим домашний каталог пользователя (который находится по адресу /home/имя_пользователя).

Помимо Наутилуса существует много других файловых менеджеров. Например, в графической оболочке KDE по умолчанию им является Konqueror.

Навигация и создание файлов

Файлы и папки можно создавать несколькими способами. Одним из них является создание с помощью контекстного меню. Для этого необходимо щелкнуть в пустое место текущего каталога правой кнопкой мыши и в контекстном меню выбрать пункт Создать папку или Создать документ (в последнем случае появляется подменю, где выбирается тип документа). После этого вводится имя объекта.

Если понадобится переименовать объект, то это можно сделать следующими способами: выделить папку/файл, затем щелкнуть по нему левой кнопкой мыши (не путать с двойным кликом, когда щелчки происходят быстро друг за другом); выделить папку/файл, затем нажать на клавиатуре клавишу F2;

кликнуть папку/файл правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбрать пункт Переименовать.

После любого из этих трех действий следует ввести новое имя файла и нажать Enter.

Практическая работа. Создание файлов и каталогов

Задание. Создайте в своем домашнем каталоге следующую файловую структуру.

Обозначения: эллипс – каталог, прямоугольник – файл.

Вопросы

1. Почему файловую систему называют древовидной и иерархической?
2. Что такое файл?
3. Как обозначается корневой каталог в Linux? В каком каталоге по умолчанию содержатся каталоги пользователей?
4. Что такое абсолютный адрес? относительный адрес? В каких случаях более уместно употреблять относительный адрес?

Выводы

• Файлы представляют собой именованные места на диске для хранения данных. Структура данных может быть различна.
• Структура каталогов операционных систем устроена по иерархическому принципу и имеет древовидную структуру.
• Каждый объект файловой структуры имеет свой уникальный адрес, запись которого начинается от корневого каталога и заканчивается искомым объектом (файлом или каталогом). Переходить по структуре каталогов можно как с помощью указания абсолютных адресов, так и относительных.
• В операционных системах предусмотрены различные файловые менеджеры для просмотра и управления структурой файлов и каталогов.
• Помимо системных файлов и каталогов человек может создавать и собственные. Создавать папки и файлы можно как в графическом режиме, так и с помощью командной оболочки в текстовом режиме.

Общее. В теории информатики определены следующие три основных типа структур данных – линейная, табличная, иерархическая. Пример книга: последовательность листов – линейная структура. Части, разделы, главы, параграфы – иерархия. Оглавление – таблица – связывает – иерархическую с линейной. У структурированных данных появляется новый атрибут - Адрес. И так:

Линейные структуры (списки, вектора). Обычные списки. Адрес каждого элемента однозначно определяется его номером. Если все элементы списка имеют равную длину – вектора данных.

Табличные структуры (таблицы, матрицы). Отличие таблицы от списка – каждый элемент – определяется адресом, состоящим не из одного, а нескольких параметров. Самый распространенный пример – матрица - адрес – два параметра – номер строки и номер столбца. Многомерные таблицы.

Иерархические структуры. Используются для представления нерегулярных данных. Адрес – определяется маршрутом – от вершины дерева. Файловая система – компьютера. (Маршрут может превысить – величину данных, дихотомия – всегда два разветвления – влево и вправо).

Упорядочение структур данных. Основной способ – сортировка. ! При добавлении нового элемента в упорядоченную структуру – возможно изменения адреса у существующих. Для иерархических структур – индексация – каждому элементу уникальный номер – который далее используется в сортировке и поиске.

Основные элементы файловой системы

Историческим первым шагом в области хранения и управления данными стало использование систем управления файлами.

Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Три параметра:

последовательность произвольного числа байтов,

уникальное собственное имя (фактически – адрес).

данные одного типа – тип файла.

Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа файла.

Первая, в современном понимании, развитая файловая система была разработана фирмой IBM для ее серии 360 (1965-1966 годы). Но в нынешних системах она практически не применяется. Использовала списочные структуры данных (ЕС- том, раздел, файл).

Большинство из Вас знакомо с файловыми системами современных ОС. Это прежде всего MS DOS, Windows, а некоторые с построением файловой системы для различных вариантов UNIX.

Структура файлов. Файл представляет совокупность блоков данных, размещенных на внешнем носителе. Для произведения обмена с магнитным диском на уровне аппаратуры нужно указать номер цилиндра, номер поверхности, номер блока на соответствующей дорожке и число байтов, которое нужно записать или прочитать от начала этого блока. Поэтому во всех файловых системах явно или неявно выделяется некоторый базовый уровень, обеспечивающий работу с файлами, представляющими набор прямо адресуемых в адресном пространстве блоков.

Именование файлов. Все современные файловые системы поддерживают многоуровневое именование файлов за счет поддержания во внешней памяти дополнительных файлов со специальной структурой - каталогов. Каждый каталог содержит имена каталогов и/или файлов, содержащихся в данном каталоге. Таким образом, полное имя файла состоит из списка имен каталогов плюс имя файла в каталоге, непосредственно содержащем данный файл. Разница между способами именования файлов в разных файловых системах состоит в том, с чего начинается эта цепочка имен. (Unix, DOS-Windows)

Защита файлов. Системы управления файлами должны обеспечивать авторизацию доступа к файлам. В общем виде подход состоит в том, что по отношению к каждому зарегистрированному пользователю данной вычислительной системы для каждого существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю. Существовали попытки реализовать этот подход в полном объеме. Но это вызывало слишком большие накладные расходы как по хранению избыточной информации, так и по использованию этой информации для контроля правомочности доступа. Поэтому в большинстве современных систем управления файлами применяется подход к защите файлов, впервые реализованный в ОС UNIX (1974). В этой системе каждому зарегистрированному пользователю соответствует пара целочисленных идентификаторов: идентификатор группы, к которой относится этот пользователь, и его собственный идентификатор в группе. Соответственно, при каждом файле хранится полный идентификатор пользователя, который создал этот файл, и отмечается, какие действия с файлом может производить он сам, какие действия с файлом доступны для других пользователей той же группы, и что могут делать с файлом пользователи других групп. Эта информация очень компактна, при проверке требуется небольшое количество действий, и этот способ контроля доступа удовлетворителен в большинстве случаев.

Режим многопользовательского доступа. Если операционная система поддерживает многопользовательский режим вполне реальна ситуация, когда два или более пользователей одновременно пытаются работать с одним и тем же файлом. Если все эти пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет. Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для корректной работы этой группы требуется взаимная синхронизация. Исторически в файловых системах применялся следующий подход. В операции открытия файла (первой и обязательной операции, с которой должен начинаться сеанс работы с файлом) помимо прочих параметров указывался режим работы (чтение или изменение). + имеется специальные процедуры синхронизации действий пользователей. Нельзя по записям!

Журналирование в файловых системах. Общие принципы.

Запуск проверки системы (fsck) на больших файловых системах может занять много времени, что очень плохо, учитывая сегодняшние высоко скоростные системы. Причиной, по которой целостность отсутствует в файловой системе, может являться не корректное размонтирование, например в момент прекращения работы на диск велась запись. Приложения могли обновлять данные, содержащиеся в файлах и система могла обновлять мета-данные файловой системы, которые являются «данными о данных файловой системы», иными словами, информация о том какие блоки связаны с какими файлами, какие файлы размещены в каких директориях и тому подобное. Ошибки (отсутствие целостности) в файлах данных – это плохо, но куда хуже ошибки в мета-данных файловой системы, что может привести к потерям файлов и другим серьезным проблемам.

Для минимизации проблем связанных с целостностью и минимизации времени перезапуска системы, журналируемая файловая система хранит список изменений, которые она будут проводить с файловой системой перед фактической записью изменений. Эти записи хранятся в отдельной части файловой системы, называемой «журналом» или «логом». Как только эти записи журнала (лога) безопасно записаны, журналируемая файловая система вносит эти изменения в файловую систему и затем удаляет эти записи из «лога» (журнала регистраций). Записи журнала организованы в наборы связанных изменений файловой системы, что очень похоже на то, как изменения добавляемые в базу данных организованны в транзакции.

Журналируемая файловая система увеличивает вероятность целостности, потому что записи в лог-файл ведутся до проведения изменений файловой системы, и потому что файловая система хранит эти записи до тех пор, пока они не будут целиком и безопасно применены к файловой системе. При перезагрузке компьютера, который использует журналируемую файловую систему, программа монтирования может гарантировать целостность файловой системы простой проверкой лог-файла на наличие ожидаемых, но не произведенных изменений и записью их в файловую систему. В большинстве случаев, системе не нужно проводить проверку целостности файловой системы, а это означает, что компьютер использующий журналируемую файловую систему будет доступен для работы практически сразу после перезагрузки. Соответственно шансы потери данных в связи с проблемами в файловой системе значительно снижаются.

Классический вид журналируемой файловой системы это хранение в журнале (логе) изменений метаданных файловой системы и хранение изменений всех данных файловой системы, включая изменения самих файлов.

Файловая система MS-DOS (FAT)

Файловая система MS-DOS представляет собой древовидную файловую систему для небольших дисков и простых структур каталогов, в корне которой находится корневой каталог, а листьями являются файлы и другие каталоги, возможно пустые. Размещение файлов под управлением этой файловой системы происходит по кластерам, размер которых может колебаться от 4 КБ до 64 КБ кратно 4, без использования свойства смежности смешанным способом выделения дисковой памяти. Например, на рисунке показано три файла. Файл File1.txt является достаточно большим: он задействует три следующих друг за другом блока. Небольшой файл File3.txt использует пространство только одного размещаемого блока. Третий файл File2.txt. является большим фрагментированным файлом. В каждом случае точка входа указывает на первый распределяемый блок, принадлежащий файлу. Если файл использует несколько распределяемых блоков, то предшествующий блок указывает на следующий в цепочке. Значение FFF отождествляется с концом последовательности.

Дисковый раздел FAT

Для эффективного доступа к файлам используется таблица размещения файлов – File Allocation Table, которая размещается в начале раздела (или логического диска). Именно от названия таблицы размещения и происходит название этой файловой системы – FAT. В целях защиты раздела на нем хранятся две копии FAT, на тот случай, если одна из них окажется поврежденной. Кроме того, таблицы размещения файлов должны размещаться по строго фиксированным адресам, чтобы файлы, необходимые для запуска системы, были размещены корректно.

Таблица размещения файлов состоит из 16-разрядных элементов и содержит следующую информацию о каждом кластере логического диска:

кластер не используется;

кластер используется файлом;

плохой кластер;

последний кластер файла;.

Так как каждому кластеру должен быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, то следовательно, FAT поддерживает максимально 216, или 65 536 кластеров на одном логическом диске (да еще некоторую часть кластеров резервирует для своих нужд). Таким образом получаем предельный размер диска, обслуживаемого MS-DOS, в 4 ГБ. Размер кластера можно увеличить или уменьшить в зависимости от размера диска. Однако, когда размер диска превышает некоторую величину, кластеры становятся слишком большого размера что ведет к внутренней дефрагментации диска. Кроме информации о файлах, в таблице размещения файлов может быть помещена информация и о каталогах. При этом каталоги рассматриваются как специальные файлы с 32-байтовыми элементами для каждого файла, содержащегося в этом каталоге. Корневой каталог имеет фиксированный размер – 512 записей для жесткого диска, а для дискет этот размер определяется объемом дискеты. Кроме того, корневой каталог расположен сразу же после второй копии FAT, поскольку в нем находятся файлы, необходимые загрузчику MS-DOS.

При поиске файла на диске MS-DOS вынуждена просматривать структуру каталога, чтобы найти его. Например, чтобы запустить исполняемый файл С:\Program\NC4\nc.exe находит исполнимый файл, выполнив следующие действия:

читает корневой каталог диска C: и ищет в нем каталог Program;

читает начальный кластер Program и ищет в этом каталоге запись о вложенном каталоге NC4;

читает начальный кластер вложенного каталога NC4 и ищет в нем запись о файле nc.exe;

читает все кластеры файла nc.exe.

Такой способ поиска не является самым быстрым среди действующих файловых систем. Причем, чем больше глубина каталогов, тем медленнее будет происходить поиск. Для ускорения операции поиска следует придерживаться сбалансированной файловой структуры.

Достоинства FAT

Является лучшим выбором для логических дисков небольшого размера, т.к. стартует с минимальными накладными расходами. На дисках, размер которых не превышает 500 МБ, она работает с приемлемыми характеристиками.

Недостатки FAT

Поскольку размер записи о файле ограничен 32 байтами, а информация должна включать в себя и размер файла и дату, и атрибуты и т.д., то размер под название файла также ограничен и не может превышать 8+3 символа на каждый файл. Использование так называемых коротких имен файлов делает FAT менее привлекательной для использования по сравнению с другими файловыми системами.

Использование FAT на дисках, объем которых превышает 500 МБ нерационально по причине дефрагментации диска.

Файловая система FAT не обладает никакими средствами защиты и поддерживает минимальные возможности по обеспечению безопасности информации.

Скорость выполнения операций в FAT происходит обратно пропорционально глубине вложенности каталогов и объему диска.

Файловая система UNIX – систем (ext3)

Современная, мощная и бесплатная операционная система Linux предоставляет широкую территорию для разработки современных систем и пользовательского программного обеспечения. Некоторые из наиболее интересных разработок в недавних ядрах Linux это новые, высоко производительные технологии для управления хранением, размещением и обновлением данных на диске. Один из наиболее интересных механизмов – это файловая система ext3, которая интегрируется в ядро Linux начиная с версии 2.4.16, и уже доступна по умолчанию в Linux дистрибутивах от компаний Red Hat и SuSE.

Файловая система ext3 является журналируемой файловой системой, 100% совместимой со всеми утилитами созданными для создания, управления и тонкой настройки файловой системы ext2, которая используется в Linux системах несколько последних лет. Перед детальным описанием различий между файловыми системами ext2 и ext3, уточним терминологию файловых систем и хранения файлов.

На системном уровне, все данные на компьютере существуют как блоки данных на неком устройстве хранения, организованных с помощью специальных структур данных в разделы (логические наборы на устройстве хранения), которые в свою очередь организованы в файлы, директории и неиспользуемое (свободное) пространство.

Файловые системы созданы на разделах диска для упрощения хранения и организации данных в форме файлов и директорий. Linux, как Unix система, использует иерархическую файловую систему составленную из файлов и директорий, которые соответственно содержат либо файлы либо каталоги. Файлы и директории в файловой системе Linux становятся доступным пользователю путем их монтирования (команда «mount»), которая обычно является частью процесса загрузки системы. Список файловых систем доступных для использования хранится в файле /etc/fstab (FileSystem TABle). Список файловых систем не смонтированных в данные момент системой хранится в файле /etc/mtab (Mount TABle).

В момент монтирования файловой системы в процессе загрузки, бит в заголовке («чистый бит» / «clean bit») стирается, это означает что файловая система используется, и что структуры данных используемые для управления размещением и организации файлов и директорий, в данной файловой системы могут быть изменены.

Файловая система расценивается как целостная если все блоки данных в ней либо используются, либо свободны; каждый размещенный блок данных занят одним и только одним файлом или директорией; все файлы и директории могут быть доступны после обработки серии других директорий в файловой системе. Когда система Linux намеренно прекращает работу используя команды оператора, все файловые системы размонтируются. Размонтирование файловой системы в процессе завершения работы устанавливает «чистый бит» в заголовок файловой системы, указывая на то, что файловая система была размонтирована должным образом и, тем самым, может рассматриваться как целостная.

Года отладки и переработки файловой системы и использование улучшенных алгоритмов для записи данных на диск в большой степени уменьшили повреждение данных вызываемых приложениями или самим ядром Linux, но устранение повреждения и потери данных в связи с отключением питания и другими системными проблемами до сих пор является сложной задачей. В случае аварийной остановки или простого отключения Linux системы без использования стандартных процедур остановки работы «чистый бит» в заголовке файловой системы не устанавливается. При следующей загрузке системы, процесс монтировки обнаруживает, что система не маркирована как «чистая», и физически проверяет ее целостность использую Linux/Unix утилиту проверки файловой системы "fsck" (File System ChecK).

Существует несколько журналируемых файловых систем доступных для Linux. Наиболее известные из них: XFS, журналируемая файловая система разработанная Silicon Graphics, но сейчас выпущенная открытым кодом (open source); RaiserFS, журналируемая файловая система разработанная специально для Linux; JFS, журналируемая файловая система первоначально разработанная IBM, но сейчас выпущенная как открытый код; ext3 – файловая система разработанная доктором Стефаном Твиди (Stephan Tweedie) в Red Hat, и несколько других систем.

Файловая система ext3 – это журналируемая версия Linux файловой системы ext2. Файловая система ext3 имеет одно значительно преимущество перед другими журналируемыми файловыми системами – она полностью совместима с файловой системой ext2. Это делает возможным использование всех существующих приложений разработанных для манипуляции и настройки файловой системы ext2.

Файловая система ext3 поддерживается ядрами Linux версии 2.4.16 и более поздними, и должна быть активизирована использованием диалога конфигурации файловых систем (Filesystems Configuration) при сборке ядра. В Linux дистрибутивы, такие как Red Hat 7.2 и SuSE 7.3 уже включена встроенная поддержка файловой системы ext3. Вы можете использовать файловую систему ext3 только в том случае, когда поддержка ext3 встроена в ваше ядро и у вас есть последние версии утилит «mount» и «e2fsprogs».

В большинстве случаев перевод файловых систем из одного формата в другой влечет за собой резервное копирование всех содержащихся данных, переформатирование разделов или логических томов, содержащих файловую систему, и затем восстановление всех данных на эту файловую систему. В связи с совместимостью файловых систем ext2 и ext3, все эти действия можно не проводить, и перевод может быть сделать с помощью одной команды (запущенной с полномочиями root):

# /sbin/tune2fs -j <имя-раздела >

Например, перевод файловой системы ext2 расположенной на разделе /dev/hda5 в файловую систему ext3 может быть осуществлен с помощью следующей комманды:

# /sbin/tune2fs -j /dev/hda5

Опция "-j" команды "tune2fs" создает журнал ext3 на существующей ext2 файловой системе. После перевода файловой системы ext2 в ext3, вы так же должны внести изменения в записи файла /etc/fstab, для указания что теперь раздел является файловой системой "ext3". Так же вы можете использовать авто определение типа раздела (опция «auto»), но все же рекомендуется явно указывать тип файловой системы. Следующий пример файл /etc/fstab показывает изменения до и после перевода файловой системы для раздела /dev/hda5:

/dev/ hda5 /opt ext2 defaults 1 2

/dev/ hda5 /opt ext3 defaults 1 0

Последнее поле в /etc/fstab указывает этап в загрузке, во время которого целостность файловой системы должна быть проверена с помощью утилиты «fsck». При использовании файловой системы ext3, вы можете установить это значение в «0», как показано на предыдущем примере. Это означает что программа "fsck" никогда не будет проверять целостность файловой системе, в связи с тем что целостность файловой системы гарантируется путем отката в журнале.

Перевод корневой файловой системы в ext3 требует особого подхода, и лучше всего его проводить в режиме одного пользователя (single user mode) после создания RAM диска поддерживающего файловую систему ext3.

Кроме совместимости с утилитами файловой системы ext2 и простым переводом файловой системы из ext2 в ext3, файловая система ext3 так же предлагает несколько различных типов журнилирования.

Файловая система ext3 поддерживает три различных режима журналирования, которые могут быть активированы из файла /etc/fstab. Эти режимы журналирования следующие:

Журнал / journal – запись всех изменений данных файловой системы и мета-данных. Наиболее медленный из всех трех режимов журналирования. Этот режим минимизирует шанс потери изменений файлов которые вы проводите в файловой системе.

Последовательный / ordered – записываются изменения только мета-данных файловой системы, но записывает обновления данных файла на диск перед изменениями ассоциируемых мета-данных файловой системы. Этот режим журналирования ext3 установлен по умолчанию.

Обратная запись / writeback – записываются только изменения мета-данных файловой системы, основан на стандартном процессе записи изменений данных файлов. Это наиболее быстрый метод журналирования.

Различия между этими режимами журналирования одновременно и едва заметны, и основательны. Использование режима «журнал» требует, что бы файловая система ext3 записывала каждое изменение файловой системы дважды – первый раз в журнал, а затем в саму файловую систему. Это может снизить общую производительность вашей файловой системы, но этот режим наиболее любим пользователями, потому что он минимизирует шанс потери изменения данных ваших файлов, так как и изменения мета - данных и изменения данный файлов записывается в журнал ext3 и может быть повторено при перезагрузке системы.

Используя «последовательный» режим, записываются только изменения мета - данных файловой системы, что понижает избыточность между записью в файловую систему и в журнал, именно в связи с эти метод более быстрый. Не смотря на то, что изменения данных файла не записываются в журнал, они должны быть сделаны до изменений ассоциируемых мета - данных файловой системы, которые проводит журналирующий ext3 демон, что может немного снизить производительность вашей системы. Использование этого метода журналирования гарантирует что файлы в файловой системе никогда не будет рассинхронизированы со связанными мета-данными файловой системы.

Метод «обратная запись» наиболее быстрый, чем остальные два журналируемых метода, так как хранятся данные только о изменениях мета-данных файловой системы, и нет ожидания изменения ассоциируемых данных файла при записи (перед обновлением таких вещей как размер файла и информация о директории). Так как обновление данных файла производиться асинхронно по отношению к журналируемым изменениям мета-данных файловой системы, файлы в файловой системе могут показывать ошибки в мета-данных, например ошибка в указании владельца блоков данных (обновление которых к моменту перезагрузки системы было не закончено). Это не фатально, но может помешать пользователю.

Указание журналируемого режима, используемого в ext3 файловой системе производиться в файле /etc/fstab для этой файловой системы. «Последовательный» режим используется по умолчанию, но вы можете указать различные режимы журналирования, путем изменения опций для требуемого раздела в файле /etc/fstab. Например, запись в /etc/fstab указывающая на использование режима журналирования «обратная запись» будет выглядеть следующим образом:

/dev/hda5 /opt ext3 data=writeback 1 0

Файловая система семейства Windows NT (NTFS)

Физическая структура NTFS

Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники - при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.

Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы:) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного "ограничения" на размер NTFS при установке. :)

Структура раздела - общий взгляд

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону - пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается... Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

MFT и его структура

Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности (они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, "зацепившись" за самую основу - за первый элемент MFT.

Метафайлы

Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости - например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT.

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени "$", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер - можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.

	копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска
	файл поддержки журналирования (см. ниже)
	служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д.
	список стандартных атрибутов файлов на томе
	корневой каталог
	карта свободного места тома
	загрузочный сектор (если раздел загрузочный)
	файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5)
	файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

Файлы и потоки

Итак, у системы есть файлы - и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?

Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.

Опциональный элемент - потоки данных файла. Может показаться странным определение "опциональный", но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных - в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего "физического" воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT.

Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение - у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей - например, файлу можно "прилепить" еще один поток, записав в него любые данные - например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS - это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла - 255 символов.

Каталоги

Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Вот что это означает: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом - с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя - выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы, скажем, просто отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом - сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.

Вывод - для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева - всего около 10-ти (2^10 = 1024). Экономия времени поиска налицо. Не стоит, однако думать, что в традиционных системах (FAT) всё так запущено: во-первых, поддержание списка файлов в виде бинарного дерева довольно трудоемко, а во-вторых - даже FAT в исполнении современной системы (Windows2000 или Windows98) использует сходную оптимизацию поиска. Это просто еще один факт в вашу копилку знаний. Хочется также развеять распространенное заблуждение (которое я сам разделял совсем еще недавно) о том, что добавлять файл в каталог в виде дерева труднее, чем в линейный каталог: это достаточно сравнимые по времени операции - дело в том, что для того, чтобы добавить файл в каталог, нужно сначала убедится, что файла с таким именем там еще нет:) - и вот тут-то в линейной системе у нас будут трудности с поиском файла, описанные выше, которые с лихвой компенсируют саму простоту добавления файла в каталог.

Какую информацию можно получить, просто прочитав файл каталога? Ровно то, что выдает команда dir. Для выполнения простейшей навигации по диску не нужно лазить в MFT за каждым файлом, надо лишь читать самую общую информацию о файлах из файлов каталогов. Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

Журналирование

NTFS - отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция - действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний - квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу - он либо совершен, либо отменен.

Пример 1: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком - система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место - начинается новая транзакция.

Пример 2: более сложный случай - идет запись данных на диск. Вдруг, бах - отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы - журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле $LogFile это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем - все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась - то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на "незаконченную" транзакцию.

И все-таки помните, что журналирование - не абсолютная панацея, а лишь средство существенно сократить число ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk - опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Вы можете даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset - вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию - ваши данные могут и не записаться. Чудес не бывает.

Файлы NTFS имеют один довольно полезный атрибут - "сжатый". Дело в том, что NTFS имеет встроенную поддержку сжатия дисков - то, для чего раньше приходилось использовать Stacker или DoubleSpace. Любой файл или каталог в индивидуальном порядке может хранится на диске в сжатом виде - этот процесс совершенно прозрачен для приложений. Сжатие файлов имеет очень высокую скорость и только одно большое отрицательное свойство - огромная виртуальная фрагментация сжатых файлов, которая, правда, никому особо не мешает. Сжатие осуществляется блоками по 16 кластеров и использует так называемые "виртуальные кластеры" - опять же предельно гибкое решение, позволяющее добиться интересных эффектов - например, половина файла может быть сжата, а половина - нет. Это достигается благодаря тому, что хранение информации о компрессированности определенных фрагментов очень похоже на обычную фрагментацию файлов: например, типичная запись физической раскладки для реального, несжатого, файла:

кластеры файла с 1 по 43-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го кластеры файла с 44 по 52-й хранятся в кластерах диска начиная с 8530-го...

Физическая раскладка типичного сжатого файла:

кластеры файла с 1 по 9-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го кластеры файла с 10 по 16-й нигде не хранятся кластеры файла с 17 по 18-й хранятся в кластерах диска начиная с 409-го кластеры файла с 19 по 36-й нигде не хранятся....

Видно, что сжатый файл имеет "виртуальные" кластеры, реальной информации в которых нет. Как только система видит такие виртуальные кластеры, она тут же понимает, что данные предыдущего блока, кратного 16-ти, должны быть разжаты, а получившиеся данные как раз заполнят виртуальные кластеры - вот, по сути, и весь алгоритм.

Безопасность

NTFS содержит множество средств разграничения прав объектов - есть мнение, что это самая совершенная файловая система из всех ныне существующих. В теории это, без сомнения, так, но в текущих реализациях, к сожалению, система прав достаточно далека от идеала и представляет собой хоть и жесткий, но не всегда логичный набор характеристик. Права, назначаемые любому объекту и однозначно соблюдаемые системой, эволюционируют - крупные изменения и дополнения прав осуществлялись уже несколько раз и к Windows 2000 все-таки они пришли к достаточно разумному набору.

Права файловой системы NTFS неразрывно связаны с самой системой - то есть они, вообще говоря, необязательны к соблюдению другой системой, если ей дать физический доступ к диску. Для предотвращения физического доступа в Windows2000 (NT5) всё же ввели стандартную возможность - об этом см. ниже. Система прав в своем текущем состоянии достаточно сложна, и я сомневаюсь, что смогу сказать широкому читателю что-нибудь интересное и полезное ему в обычной жизни. Если вас интересует эта тема - вы найдете множество книг по сетевой архитектуре NT, в которых это описано более чем подробно.

На этом описание строение файловой системы можно закончить, осталось описать лишь некоторое количество просто практичных или оригинальных вещей.

Эта штука была в NTFS с незапамятных времен, но использовалась очень редко - и тем не менее: Hard Link - это когда один и тот же файл имеет два имени (несколько указателей файла-каталога или разных каталогов указывают на одну и ту же MFT запись). Допустим, один и тот же файл имеет имена 1.txt и 2.txt: если пользователь сотрет файл 1, останется файл 2. Если сотрет 2 - останется файл 1, то есть оба имени, с момента создания, совершенно равноправны. Файл физически стирается лишь тогда, когда будет удалено его последнее имя.

Symbolic Links (NT5)

Гораздо более практичная возможность, позволяющая делать виртуальные каталоги - ровно так же, как и виртуальные диски командой subst в DOSе. Применения достаточно разнообразны: во-первых, упрощение системы каталогов. Если вам не нравится каталог Documents and settings\Administrator\Documents, вы можете прилинковать его в корневой каталог - система будет по прежнему общаться с каталогом с дремучим путем, а вы - с гораздо более коротким именем, полностью ему эквивалентным. Для создания таких связей можно воспользоваться программой junction (junction.zip(15 Kb), 36 кб), которую написал известный специалист Mark Russinovich (http://www.sysinternals.com). Программа работает только в NT5 (Windows 2000), как и сама возможность. Для удаления связи можно воспользоваться стандартной командой rd. ВНИМАНИЕ: Попытка удаления связи с помощью проводника или других файловых менеджеров, не понимающих виртуальную природу каталога (например, FAR), приведет к удалению данных, на которые ссылается ссылка! Будьте осторожны.

Шифрование (NT5)

Полезная возможность для людей, которые беспокоятся за свои секреты - каждый файл или каталог может также быть зашифрован, что не даст возможность прочесть его другой инсталляцией NT. В сочетании со стандартным и практически непрошибаемым паролем на загрузку самой системы, эта возможность обеспечивает достаточную для большинства применений безопасность избранных вами важных данных.

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в компактном виде и как обеспечить быстрый и удобный доступ к ним. В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл - это последовательность произвольного числа байтов, обладаю

щая уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Все программы и данные хранятся во внешней памяти ПК в виде файлов. Файл - определенное количество информации (программ или данных), имеющее имя и хранящееся в памяти. Имя файла фактически должно нести в себе адресные данные, помогающие обеспечить доступ к данным, хранящимся в файле. Полное имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени и расширения. Имя дает пользователь, а расширение задается автоматически.

Например, расширения для файлов: исполняемых - .ехе, .сот; текстовых -.txt, .doc; графических - .bmp, .gif, .jpg; звуковых - .wav, .mid; видео - .evi; программных - .bas, .pas, .asm и др.

На каждом диске может храниться большое количество файлов. Файловая структура - иерархическая структура хранения файлов и организации каталогов. Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог, который содержит название файла и указание на начало его размещения на диске. Каталог - это оглавление. Каталог (директория, папка) - специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, их размеры, время обновления, свойства (рис. 2.4).

Рис. 2.4.

В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы.

Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (подпапки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов, через которые проходит. В качестве разделителя используется символ (обратная косая черта, обратный слэш). Путь - последовательность из имен каталогов или символов, разделенных символом. Путь задает маршрут от текущего или корневого каталога к каталогу, в котором находится нужный файл. Например, C:TextGamesproba.txt - путь, полное имя файла (собственное имя файла с путем доступа к нему).

Все современные дисковые ОС предусматривают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный.

Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан файл, хранятся в системной области диска. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Нарушение целостности служебных данных приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. К системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами операционной системы. Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен, поэтому группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован. Обычно он зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и др. используют файловую структуру на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT 16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гб длина кластера составляет 32 Кб (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку даже маленький файл полностью оккупирует весь кластер. Для дисков объемом примерно 2 Гб потери, связанные с неэффективностью этой файловой системы, могут составлять от 25 до 40 % полной емкости диска.

Начиная с ОС Windows 98, семейство Windows (Windows Me/ 2000/ХР) поддерживает более совершенную версию файловой системы на основе FAT-таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гб эта система обеспечивает размер кластера 4 Кб (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows ХР способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS. В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в главной таблице файлов (MFT ). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и потенциально для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32.

Файлы и файловая структура

В компьютерных технологиях единицей хранения данных является объект переменной длины, называемый файлом . Файл – - это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным именем. Файловые системы создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных. Таким образом, файловая система – - это система управления данными.

Имя файла имеет особое значение – - оно фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Кроме того, имя может иметь расширение , в котором хранятся сведения о типе данных. Если имена создаваемых файлов пользователь может задавать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться некоторой традиции. Например, в операционной системе MS DOS файлы с расширениями:: .com, .exe, .bat – - исполняемые; .bat, .txt, .doc – - текстовые; .pas, .bas, .c, .for – - тексты программ на известных языках программирования: (Паскале, Бейсике, Си, Фортране соответственно); .dbf – - файл базы данных. В различных операционных системах существуют ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS DOS длина имени файла не должна превышать восьми символов, а расширение – - трех, т. е. используется стандарт 8.3. В операционной системе Windows ограничения значительно менее жесткие.

Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить либо переслать на устройство или на другой компьютер, но только целиком.

Файловая система – - это часть операционной системы компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной операционной системы. Файловая система скрывает от пользователя картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, т. е. логический уровень работы с файлами. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т. п., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Наиболее распространенным видом файлов, внутренняя структура которых обеспечивается файловыми системами различных операционных систем, являются файлы с последовательной структурой. Файлы в этом случае представляются в виде набора составных элементов, называемых логическими записями произвольной длины и с последовательным доступом. В ряде операционных систем предусматривается использование более сложных логических структур файлов, например, древовидной структуры. На физическом уровне блоки файла могут размещаться в памяти непрерывной областью или храниться несмежно. Вся учетная информация о расположении файлов на магнитном диске сводится в одно место – - каталог или директорию диска. Каталог представляет собой список элементов, каждый из которых описывает характеристики конкретного файла, используемые для организации доступа к нему – - имя файла, его тип, местоположение на диске, размер. Каталогов может быть большое число, и они связываются в информационные структуры, например, в иерархическую (древовидную) систему каталогов. Каждый каталог рассматривается как файл и имеет собственное имя. Полное имя каталога или файла в такой структуре задает путь переходов между каталогами и файлами в логической структуре каталогов (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Иерархическая система каталогов

Структура самых файлов может быть тривиальной. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, соответствующих кодировке таблицы ASCII. Однако в большинстве случаев вместе с данными приходится хранить и некоторую дополни

тельную информацию. Способ организации данных в файле, т. е. структура файла, называется форматом . Формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Существует довольно много различных форматов файлов. Некоторые из них стандартизированы и поддерживаются любой операционной системой, некоторые специфичны только для данных операционных систем. Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, т. е. файл может иметь очень сложный формат. Например, в документ MS Word можно включать текст, картинки, таблицы, формулы и многое другое.

В большинстве случаев пользователю ничего не нужно знать о внутреннем устройстве файлов. Это уровень абстракции интерфейса операционных систем.

Рано или поздно начинающий пользователь компьютера сталкивается с таким понятием, как файловая система (ФС). Как правило, впервые знакомство с данным термином происходит при форматировании носителя информации: логические диски и подключаемые носители (флешки, карты памяти, внешний жесткий диск).

Перед форматированием операционная система Windows предлагает выбрать вид файловой системы на носителе, размер кластера, способ форматирования (быстрое или полное). Давайте разберемся, что же такое файловая система и для чего она нужна?

Вся информация записывается на носитель в виде , которые должны располагаться в определенном порядке, иначе операционная система и программы не смогут оперировать с данными. Этот порядок и организует файловая система с помощью определенных алгоритмов и правил размещения файлов на носителе.

Когда программе требуется файл, записанный на диске, ей нет необходимости знать, как и где он хранится. Все, что от программы требуется – это знать имя файла, его размер и атрибуты, чтобы передать эти данные файловой системе, которая обеспечит доступ к нужному файлу. То же самое происходит и при записи данных на носитель: программа передает информацию о файле (имя, размер, атрибуты) файловой системе, которая сохраняет его по своим определенным правилам.

Для лучшего понимания представьте библиотекаря, который выдает клиенту книгу по ее названию. Или в обратном порядке: клиент сдает прочитанную книгу библиотекарю, который размещает ее обратно на хранение. Клиенту совсем нет необходимости знать, где и как хранится книга, это обязанность служащего заведения. Библиотекарь знает правила каталогизации библиотеки и согласно этим правилам разыскивает издание или размещает его обратно, т.е. выполняет свои служебные функции. В данном примере библиотека – это носитель информации, библиотекарь – файловая система, клиент – программа.

Основные функции файловой системы

Основными функциями файловой системы являются:

• размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
• определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
• создание, чтение и удаление файлов;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
• определение структуры файла;
• организация каталогов для логической организации файлов;
• защита файлов при системном сбое;
• защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Информация, записываемая на жесткий диск или любой другой носитель, размещается в нем на основе кластерной организации. Кластер представляют собой своего рода ячейку определенного размера, в которую помещается весь файл или его часть.

Если файл имеет размер кластера, то он занимает только один кластер. Если размер файла превышает размер ячейки, то он размещается в нескольких ячейках-кластерах. Причем свободные кластеры могут находиться не рядом с другом, а быть разбросанными по физической поверхности диска. Такая система позволяет наиболее рационально использовать место при хранении файлов. Задача файловой системы — разложить файл при записи по свободным кластерам оптимальным образом, а также собрать его при чтении и выдать программе или операционной системе.

Виды файловых систем

В процессе эволюции компьютеров, носителей информации и операционных систем возникало и пропадало большое количество файловых систем. В процессе такого эволюционного отбора, на сегодня для работы с жесткими дисками и внешними накопителями (флешки, карты памяти, внешние винчестеры, компакт диски) в основном используются следующие виды ФС:

1. FAT32
2. ISO9660

Последние две системы предназначены для работы с компакт дисками. Файловые системы Ext3 и Ext4 работают с операционными системами на основе Linux. NFS Plus – это ФС для операционных систем OS X, используемых в компьютерах фирмы Apple.

Самое большое распространение получили файловые системы NTFS и FAT32 и это не удивительно, т.к. они предназначены для операционных систем Windows, под управлением которых работает подавляющее большинство компьютеров в мире.

Сейчас FAT32 активно вытесняется более продвинутой системой NTFS по причине ее большей надежности к сохранности и защите данных. К тому же последние версии ОС Windows просто не дадут себя установить, если раздел жесткого диска будет отформатирован в FAT32. Программа установки потребует отформатировать раздел в NTFS.

Файловая система NTFS поддерживает работу с дисками объемом в сотни терабайт и размером одного файла до 16 терабайт.

Файловая система FAT32 поддерживает диски до 8 терабайт и размер одного файла до 4Гб. Чаще всего данную ФС используют на флешках и картах памяти. Именно в FAT32 форматируют внешние накопители на заводе.

Однако ограничение на размер файла в 4Гб на сегодня уже является большим минусом, т.к. в связи с распространением высококачественного видео, размер файла с фильмом будет превышать это ограничение и его будет невозможно записать на носитель.

Поделиться.