Файловые системы

Одной из первостепенных задач операционной системы следует считать управление дисковым накопителем и доступом к нему. Не случайно ранние ОС содержали в своем названии аббревиатуру DOS (Disk Operating System – дисковая операционная система). Для этого используется файловая система.

Файловая система – это часть операционной системы, предназначенная для обеспечения пользователю удобного интерфейса при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечения совместного использования файлов несколькими пользователями и процессами.

Понятие файловая система включает:

1) совокупность всех файлов на диске,

2) наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

3) комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами (создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск).

Все пространство на диске разделено на секторы по 512 байт. Сектор – наименьшая единица записи и чтения данных. Несколько секторов, расположенных последовательно, объединяются в кластеры. Кластер (Cluster) – наименьшая адресуемая единица данных. Размер кластера не фиксирован и зависит от емкости диска. Размер кластера не влияет на количество читаемых или записываемых данных. Метод объединения секторов в кластеры, адресации кластеров, выделение их записываемым файлам и хранения информации о файлах зависит от используемой файловой системы.

Организация файловой системы – одна из важнейших функций ОС. От организации файловой системы во многом зависит организация многопользовательской работы. Таким образом, возможности, предоставляемые файловой системой, накладывают отпечаток на всю работу ОС, а значит и пользователя. В однозадачных ОС файловая система является наиболее крупной составной частью.

Файл (file) — это именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файлы – как единицы хранения данных – физически реализуются как участки памяти на внешних носителях. Обслуживает файлы специальный модуль операционной системы, называемый драйвером файловой системы. Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге — оглавлении файлов.

Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность 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 тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальной таблице размещения файлов (FAT-таблице, File Allocation Table). Нарушение целостности служебных сведений приводит к невозможности воспользоваться данными, поэтому к системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами ОС.

Все функции по обслуживанию таблиц размещения файлов, поиску информации в них, выделению места для файлов выполняются ОС.

Файловая система FAT12 использовалась для дискет. Данная система в кластер объединяла 1–2 сектора.

Файловая система FAT16 реализует 16-ти разрядные адресные поля. Такая система позволяет разместить в FAT-таблице не более 65 536 кластеров (2¹⁶). Размер кластера варьируется от 4-х секторов (2 Кбайт) при размере логического диска до 128 Мбайт (до 256 – 4 Кбайт, до 512 – 8 Кбайт, до 1 Гбайт – 16 Кбайт) до 64-х секторов (32 Кбайт) для дисков до 2 Гбайт. С дисками более 2 Гбайт файловая система FAT16 вообще работать не может.

Большие размеры кластеров приводят к растрате дискового пространства. Файловая система FAT32 использует 32-х разрядные записи и позволяет размещать до 268 435 456 кластеров (2³²). Для дисков до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов), до 16 Гбайт – 8 Кбайт (16 секторов). Позволяет работать с дисками размером до 2 Тбайт (1 Тбайт=1024 Гбайт). Данную систему поддерживают все ОС семейства Windows.

Файловую систему NTFS (New Technology File System) способны поддерживать ОС Windows NT/2000/ХР. NTFS использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства.

Каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Запись данных в MFT-зону невозможна. Первые 16 файлов (метафайлы) содержат служебную информацию, каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Первый из них сам MFT-файл, который представляет собой каталог файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. Эти первые 16 элементов MFT – единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности 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.

MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу. Размер кластера от 512 байт до 64 Кбайт. NTFS практически не имеет ограничения на размеры диска.

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.

NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей, а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения надёжности файловой системы. Файлы NTFS могут быть сжаты. Сжатие осуществляется блоками по 16 кластеров. В NTFS используется шифрование данных.

Дата добавления: 2014-01-20