Файловые системы

Всем компьютерным приложениям нужно хранить и получать информацию. Наиболее удобной для доступа к долговременным устройствам хранения информации оказалась система, при которой пользователь назначает для той или иной совокупности данных некоторое имя. Определенный участок диска, занятый информацией, имеющей собственное имя, называется файлом. Часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на дисках и доступ к ним, называется файловойсистемой (ФС).

С точки зрения пользователя наиболее важным аспектом файловой системы является ее внешнее представление, то есть именование и защита файлов, операции с файлами и т.д. Компьютеру безразлично, какое имя имеет любая программа или документ, так как он получает от ОС инструкцию подобно такой: "прочитай столько-то байт с такого-то места на диске". С другой стороны пользователь не обязан знать, в каком физическом порядке и где именно находятся его данные. Ему достаточно потребовать от ОС прочитать документ или загрузить необходимую программу.

Одной из важнейших характеристик ОС, помимо управления памятью, ресурсами компьютера и задачами, является поддержка файловой системы – основного хранилища системной и пользовательской информации.

Файлы относятся к абстрактному механизму. Они предоставляют способ сохранить информацию на диске и считывать ее снова по мере необходимости. При этом от пользователя должны скрываться такие подробности, как способ и место хранения информации, детали ра6оты дисков. Важной характеристикой любого механизма абстракции являются принципы именования управляемых объектов, поэтому вкратце рассмотрим правила именования файлов.

Точные правила именования файлов варьируются от системы к системе, но все современные операционные системы поддерживают использование в качестве имен файлов 8-символьные текстовые строки. Так, книга, страница, карандаш являются допустимыми именами файлов. Часто в именах файлов также разрешается использование цифр и специальных символов, поэтому могут применяться и такие имена файлов, как 2 (лучше _2), срочный! и Рис.2-14. Многие файловые системы поддерживают имена файлов длиной до 255 символов.

В некоторых ФС различаются прописные и строчные символы, в других, таких как MS-DOS, нет. Операционные системы Windows 95 и Windows 98 используют файловую систему MS-DOS и наследуют многие ее свойства, включая именование файлов. Операционные системы Windows NT и Windows 2000 также поддерживают файловую систему MS-DOS и наследуют ее свойства. Однако у них имеется своя файловая система NTFS, обладающая отличными свойствами.

Во многих ОС имя файла может состоять из двух частей, разделенных точкой, например progr.exe. часть имени файла после точки называется расширением файла и обычно означает тип файла. Так, в MS-DOS имя файла может содержать от 1 до 8 символов плюс через точку расширение от 0 до 3 символов. В некоторых ОС, например в UNIX, расширения файлов являются просто соглашениями, и ОС не заставляет пользователя их строго придерживаться. Так, файл file.txt может быть текстовым файлом, но это скорее памятка пользователю, а не руководство к действию для операционной системы. Система Windows, напротив, знает о расширениях файлов и назначает каждому расширению определенное значение. Пользователи или процессы могут регистрировать расширения в ОС, указывая программу, создающее данное расширение. При двойном щелчке мышью на имени файла запускается программа, назначенная этому расширению, с именем файла в качестве параметра. Например, двойной щелчок мышью на имени file.doc запускает MS Word, который открывает файл file.doc.

Обычно пользователям бывает необходимо логически группировать свои файлы, поэтому требуется некий гибкий способ, позволяющий объединять файлы в группы. Следовательно, нужна некая общая иерархия, то есть дерево каталогов. При таком подходе каждый пользователь может сам создать себе столько каталогов и подкаталогов, сколько ему нужно, группируя свои файлы естественным образом. В корневом каталоге могут быть также созданы каталоги и подкаталоги, принадлежащие различным пользователям. Возможность создавать произвольное количество подкаталогов является мощным структурирующим инструментом, позволяющим пользователям организовать свою работу. По этой причине почти все современные файловые системы организованы подобным образом.

При организации ФС в виде дерева каталогов требуется некоторый способ указания файла. Для этого обычно используются два различных метода. В первом случае каждому файлу дается абсолютное имя пути, состоящее из имен всех каталогов от корневого до того, в котором содержится файл, и имени самого файла. Например, путь \user\abc\myfile.docозначает, что корневой каталог содержит каталог user,который, в свою очередь, содержит подкаталог abc, где находится файл myfile.doc.Абсолютные имена путей всегда начинаются от корневого каталога и являются уникальными. Если первым символом имени пути является разделитель, это означает, что путь абсолютный. Применяется и относительное имя пути.Оноиспользуется вместе с понятием текущего каталога.Пользователь может назначить один из каталогов текущим рабочим каталогом. В этом случае все имена путей, не начинающиеся с символа разделителя, считаются относительными и отсчитываются относительно текущего каталога. Например, если текущим каталогом является\user\abc, тогда к файлу с абсолютным путем \user\abc\myfile.docможно обратиться просто как к myfile.doc.

Итак, любая файловая система предназначена для хранения информации о физическом размещении частей файла. В ФС существует минимальная единица информации – кластер,размер которого является нижним пределом размера записываемой на носитель информации в рамках ФС. Не следует путать понятие кластера с понятием сектора, который является минимальной единицей информации со стороны аппаратного обеспечения. От ФС требуется четкое выполнение следующих действий:

определение физического расположения частей файла,

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

Скорость выполнения этих операций напрямую зависит от самой ФС. Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач и имеют свои преимущества и недостатки. ФС типа FAT представляют собой образ носителя в миниатюре, где детализация ведется до кластерного уровня. Поэтому операция поиска физических координат файла при его большой фрагментации будет затруднительна. ФС FAT16занимает объем 128 Кб. И это позволяет легко кэшировать ее информацию. Для FAT32эта величина для больших дисков составит »1Мб, что существенно затрудняет поиск физических координат фрагментированного файла. Еще хуже обстоит дело с поиском свободного места для больших файлов. Приходится просматривать практически всю таблицу. Быстродействие падает. NTFSиспользует более компактную форму записи,чтоускоряет поиск файла.Операции с выделением места проходят быстрее. Ключевое преимущество NTFS– возможность ограничения доступа к файлам и папкам.

Важный параметр – размер кластера. Больший размер кластера гарантирует более высокую производительность за счет уменьшения самой ФС. Для NTFSувеличение кластера – болезненная процедура из-за невозможности выполнить дефрагментацию, поскольку большинство таких программ не работает с кластерами, отличными от штатных 4 Кб.