3.2.8. 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, называетсяфайловойсистемой(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 файлаи 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 (рис.3.3). 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.doc означает, что корневой каталог содержит каталогuser, который, в свою очередь, содержит подкаталогabc, где находится файлmyfile.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. Оно используется 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.doc можно обратиться просто как кmyfile.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 понятиемсектора, 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(FileAllocationTable) представляют собой образ носителя в миниатюре, где детализация ведется до кластерного уровня. Поэтому операция поиска физических координат файла при его большой фрагментации оказывается затруднительной. ФСFAT16 занимает объем 128 Кб. И это позволяет легко кэшировать ее информацию. ДляFAT32 эта величина для больших дисков составит1Мб, что еще более затрудняет поиск физических координат фрагментированного файла. Хуже обстоит дело с поиском свободного места для больших файлов. Приходится просматривать практически всю таблицу. Быстродействие падает.NTFS (NewTechnologyFileSystem) использует более компактную форму записи, что ускоряет поиск файла. Операции с выделением места проходят быстрее. Ключевое преимуществоNTFS – возможностьограничения доступак файлам и папкам.

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

Файловые системы Microsoft Windows

Рассмотрим основные файловые системы, поддерживаемые Windows –FAT16,FAT32,NTFS, а также системыCDFSиUDF. Каждая файловая система имеет свои достоинства и недостатки.

Файловая система FAT16 начала свое существование еще во времена, предшествующиеMS‑DOS. Она поддерживается всеми ОСMicrosoftдля обеспечения совместимости. Ее названиеFile Allocation Table(таблица расположения файлов) отлично отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристикам которой можно отнести то, что максимальный размер поддерживаемого томаHDDили его раздела не превышает 4095 Мбайт. Во временаMS‑DOS4-гигабайтныеHDDказались несбыточной мечтой (роскошью были диски 20-40 Мбайт), поэтому такой запас был вполне оправдан.

Том, отформатированный для использования FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера по умолчанию зависит от размера тома и может колебаться от 512 б до 64 Кб. Размер кластера может отличаться от значения по умолчанию, но должен иметь одно из значений, предписанных для этой ФС.

Не рекомендуется использовать файловую систему FAT16 на томах больше 511 Мб, так как для небольших файлов дисковое пространство будет использоваться крайне неэффективно: файл размером 1 байт будет занимать 16, 32 или 64 Кб. Независимо от размера кластера файловая системаFAT16 не поддерживается для томов больше 4 Гбайт.

На рис. 3.6 показано, как организован том при использовании файловой системы FAT16.

Рис. 3.6. Организация тома в файловой системе FAT16

Единственным отличием корневого каталога от других каталогов является то, что он располагается в определенном месте и имеет фиксированное число вхождений. Так, если число фиксированных вхождений для корневого каталога равно 512 и создано 100 подкаталогов, то в корневом каталоге можно создать не более 412 файлов.

Начиная с Win95OSR2, появилась поддержка 32-битнойFAT. Для систем на базеWindowsNTэта файловая система впервые стала поддерживаться вWindows2000. ЕслиFAT16 может поддерживать тома объемом до 4 Гб, тоFAT32 способна обслуживать тома объемом до 2 Тб. Размер кластера вFAT32 может изменяться от 1 (512 б) до 64 секторов (32 Кб). Для хранения значений кластеровFAT32 требуется 4 б (32 бит, а не 16, как вFAT16). Это означает, в частности, что некоторые файловые утилиты, рассчитанные наFAT16, не могут работать сFAT32.

Основным отличием FAT32 отFAT16 является то, что изменился размер логического диска.FAT32 поддерживает тома до 127 Гб. При этом, если при использованииFAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кб, то вFAT32 кластер размером в 4 Кб подходит для дисков объемом от 512 Мб до 8 Гб.

Это приводит к более эффективному использованию дискового пространства – чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

При применении FAT32 максимальный размер файла может достигать 4 Гб минус 2 байта. Если при использованииFAT16 максимальное число вхождений в корневой каталог ограничивалось 512, тоFAT32 позволяет увеличить это число до 65535.

При создании файла с длинным именем Windowsсоздает соответствующее имя в формате 8.3 и одно или более вхождений в каталог для хранения длинного имени (по 13 символов из длинного имени файла на каждое вхождение). Каждое последующее вхождение хранит соответствующую часть имени файла в форматеUnicode. Такие вхождения имеют атрибутыидентификатор тома,только чтение,системныйискрытый– набор, который игнорируетсяMS-DOS.

В состав Win2000 входит поддержка новой версии файловой системыNTFS, которая, в частности, обеспечивает средства защиты информации, контроль над доступом и ряд других возможностей.

Как и при использовании FAT, основной информационной единицей в NTFS является кластер. При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файлMaster File Table(MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей вMTFзарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись вMTFповреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. ВMTFхранятся метаданные, такие как копия первых четырех записей (гарантирует доступ кMTFв случае, если первый сектор поврежден).MTFсодержит информацию о томе – метку и номер версии. ВMTFнаходится таблица имен атрибутов и описания, корневой каталог и др. Остальные строкиMTFсодержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе.

Обычно один файл использует одну запись в MTF, но если у файла большой набор атрибутов или он становится слишком фрагментированным, то для хранения информации о нем могут потребоваться дополнительные записи. В этом случае первая запись о файле, называемаябазовой записью, хранит местоположение других записей. Данные о файлах и каталогах небольшого размера (до 1500 байт) полностью содержатся в первой записи.

В Windows2000 обеспечивается поддержка файловой системыCDFS, отвечающей стандартуISO9660, описывающему расположение информации наCD-ROM. Поддерживаются длинные имена файлов в соответствии сISO9660.

Поддержка файловой системы UDFявляется одним из новшествWindows2000.Universal Disk Format – это файловая система, отвечающая стандартуISO13346 и используемая для обмена данными с накопителями CD-ROM и DVD.

Сравнение файловых систем Microsoft Windows

Под управлением MSWin2000 возможно использование файловых системFAT16,FAT32,NTFSили их комбинаций. Цифры в названии файловых систем –FAT16 иFAT32 – указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, вFAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до2¹⁶ адресов. ВWin2000 первые четыре бита таблицы расположения файловFAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому вFAT32 число адресов достигает2²⁸ .

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

• файловая система поддерживается ОС MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми ОС UNIX;

• существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;

• при возникновении проблем с загрузкой с HDDсистема может быть загружена с системной дискеты;

• файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мб.

К недостаткам FAT16 можно отнести:

• не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

• в FAT16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;

Среди преимуществ FAT32 важно отметить следующие:

• выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;

• корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска, благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;

• за счет использования кластеров меньшего размера занятое дисковое пространство на 10-15% меньше, чем под FAT16.

• FAT32 является более надежной файловой системой, в частности, она поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использование резервной копии FAT.

Основные недостатки FAT32:

• размер тома под Win2000 ограничен 32 Гб;

• тома недоступны из других ОС – только из Win95OSR2 иWin98;

• не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

• не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

При работе в Windows2000 рекомендуется отформатировать все разделыHDDподNTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько ОС (кромеWindows2000 иWindowsNT). ПрименениеNTFSвместоFATпозволяет использовать функции, доступные вNTFS. К ним, в частности относятся:

• возможность восстановления. Эта возможность встроенав файловую систему.NTFSи гарантирует сохранность данных за счет того, что используется протокол и некоторые алгоритмы восстановления информации;

• сжатие информации. Для томов NTFSWindows2000 поддерживает сжатие отдельных файлов. Такие сжатые файлы могут использоватьсяWindows-приложениями без предварительной распаковки, которая происходит автоматически при чтении из файла. При закрытии и сохранении файл снова упаковывается;

• защита файлов и каталогов. Только на томах NTFSвозможно задание атрибутов доступа к файлам и папкам;

• файловая система поддерживает резервную копию загрузочного сектора – она располагается в конце тома;

• NTFSподдерживает систему шифрованияEncrypted File System(EFS), обеспечивающую защиту от неавторизованного доступа к содержимому файлов;

К недостаткам NTFS относятся:

• NTFS-тома недоступны в MS-DOS, Win95 и Win98;

• Для томов небольшого объема, содержащих много файлов небольшого размера, возможно снижение производительности по сравнению с FAT.