Основные теоретические положения. Программа визуализации работы файловой системы

Программа визуализации работы файловой системы

Цель работы: Освоить основные принципы функционирования файловой системы.

Организация хранения данных на внешних носителях. Данные и программы, с которыми работают пользователи компьютерной системы, только во время работы с ними оказываются в оперативной памяти компьютера. Всё остальное время они находятся на внешних носителях.

В качестве внешних носителей, применяемых для постоянного хранения информации, в разное время использовались различные устройства. Первоначально единственными носителями информации были перфоленты и перфокарты. Очевидные недостатки таких носителей вынудили отказаться от них и перейти к другим типам носителей, главным образом, работающим по принципу сохранения информации в виде неоднородной намагниченности магнитного материала. Исторически первыми в этом ряду были магнитные ленты и магнитные барабаны, позже вошли в употребление магнитные диски. В настоящее время также весьма распространены оптические и магнитооптические носители информации.

С момента начала использования магнитных лент и по настоящее время информация хранится на внешних носителях в виде так называемых файлов (files). Файлом называется поименованный участок памяти на внешнем носителе, не имеющий фиксированного размера и хранящий некоторый блок информации, представляющий собой в каком-либо смысле единое целое. Уточним это определение.

1.Файл – это поименованный участок памяти на внешнем носителе. Это означает, что у этого участка памяти имеется некоторое фиксированное имя, конкретный порядок построения которого определяется правилами, существующими в ОС.

2.Файл – это участок внешней памяти, который не имеет фиксированного размера. Это означает, что ОС не задаёт для файлов конкретного размера, а позволяет создавать файлы, размер которых соответствует объёму хранимого блока информации. Размер файла может изменяться на протяжении времени его существования. Из соображений удобства реализации ОС, как правило, разделяет внешний носитель на участки относительно малого объёма и выделяет память файлу этими участками, поэтому объём физического пространства, занимаемого файлом, кратен размеру этого наименьшего участка. Несмотря на это, логический размер файла (тот размер, который ОС сообщает пользователю и программам, работающим с фалом) в точности соответствует размеру хранимого в файле блока данных.

3.Файл хранит блок информации, представляющий собой в каком-либо смысле единое целое. Это означает, что файл содержит, как правило, некоторый целостный набор данных, обрабатываемых совместно. Кроме того, в виде файлов в системе хранятся программы и элементы самой ОС.

Рассмотрим в общих чертах основные принципы функционирования файловой системы применительно к компьютерным системам с внешней памятью на основе магнитных дисков большого объёма, которые составляют сейчас абсолютное большинство. Большинство рассмотренных положений можно применить также к работе с устройствами внешней памяти других типов.

Система каталогов. Как правило, число файлов, хранящихся на магнитном диске компьютера, исчисляется тысячами и десятками тысяч. Ясно, что без определённой дисциплины в именовании файлов и создания специальной системы их классификации разобраться в таком количестве файлов практически невозможно. По этой причине ОС обязательно поддерживает концепцию каталогов(directory). Каждый файл, находящийся на диске, относится к некоторому вполне определённому каталогу, причём файл обязательно относится к какому-либо каталогу и не может одновременно относиться к нескольким. ОС обеспечивает хранение списка каталогов и связь между файлами и их каталогами. Как правило, сами каталоги хранятся в системе как файлы специального вида. Каталог может содержать в себе другие каталоги (подкаталоги).

На диске обязательно имеется так называемый корневой каталог, в котором находятся некоторые файлы и подкаталоги. В этих подкаталогах могут также находиться файлы и подкаталоги следующего уровня. Таким образом, на каждом диске имеется так называемое дерево каталогов. Корнем этого дерева является корневой каталог диска, узлами – подкаталоги, листьями – файлы.

Дерево каталогов позволяет распределять файлы по каталогам в соответствии со смыслом хранящейся в них информации и по другим выбираемым пользователем критериям. При этом пользователь получает возможность размещать файлы по каталогам так, чтобы в одном каталоге не было слишком много файлов и все файлы, имеющие что-то общее, хранились в одном каталоге или в подкаталогах одного каталога.

В такой системе для указания файла недостаточно только его имени, поскольку в различных каталогах могут находиться файлы с одинаковыми именами. Поэтому файл однозначно указывается с помощью полного пути, представляющего собой совокупность имени диска, на котором он находится, списка каталогов, который необходимо пройти от корневого каталога диска до каталога, содержащего файл, включая и сам этот каталог. Обычно полный путь начинается с имени носителя, за которым после двоеточия следует список каталогов, разделённых между собой прямым или обратным слэшем, а после списка каталогов следует собственно имя файла.

Именование файлов и каталогов. Порядок именования файлов и каталогов, возможность использования в именах тех или иных символов определяется ОС. Как правило, в именах файлов допускается использование латинских букв, цифр, знака подчёркивания и ряда других символов, которые не используются в данной ОС как специальные. Обычно ОС накладывают ограничения на длину имён, хотя часто максимальная длина имени настолько велика, что это ограничение не проявляется. В большинстве случаев строчные и прописные буквы не различаются. Использование букв других алфавитов (в частности, русских) возможно далеко не всегда.

Обычно имя состоит как минимум из двух частей – собственно имени и расширения, разделённых точкой. Во многих системах (UNIX, Windows NT) имя может быть набором нескольких групп допустимых символов, разделённых точками. В таких случаях обычно расширением считается последняя из этих групп. Практическим стандартом стал порядок, при котором расширение указывает на тип файла (точнее, на тип и формат содержащейся в нём информации). Обычно файлы, содержащие исполнимые программы, имеют фиксированные в данной ОС расширения. Для прочих файлов пользователь может выбирать расширения сам, но при этом рекомендуется придерживаться использования традиционных для данного типа файлов расширений. Так, текстовые файлы обычно имеют расширение txt, и использование другого расширения просто введёт в заблуждение и самого пользователя, и тех, кому он, возможно, тем или иным образом передаст этот файл. Большинство программ, сохраняющих обрабатываемые данные в файлах, автоматически приписывают к указанному пользователем имени файла расширение, которое позволит программе впоследствии опознать этот файл как «свой». Во многих ОС (в частности, Windows 95, Windows NT, OS/2) программа обработки файла выбирается ОС по расширению этого файла при попытке пользователя запустить его.

Порядок поиска файла по имени. В большинстве ОС нет необходимости при указании файла обязательно использовать полный путь к нему. Обычно достаточно указать только имя и расширение файла. При этом ОС самостоятельно попытается найти файл в соответствии с определёнными правилами. Правила эти обычно различаются для исполнимых файлов (файлов программ) и файлов с данными. Рассмотрим один из вариантов таких правил, который, в частности, используется в ОС Windows 95 и Windows NT.

В любой момент времени один из каталогов в системе является для пользователя рабочим. То, какой именно это каталог, зависит от множества факторов. При попытке пользователя запустить программу, указав её имя без полного пути, ОС сначала попытается найти файл программы в рабочем каталоге. Если файл там не найден, то система пытается найти его в каталогах, в которых содержатся исполнимые файлы ОС (в системах Windows 95 и Windows NT обычно это каталоги «\Windows\System» и «\Windows\»), а если файл не найден и там, то ОС будет последовательно проверять список каталогов, хранящийся в одной из системных переменных (в упомянутых системах это переменная PATH). Если файл программы не найден ни по одному из перечисленных путей, то ОС выдаст сообщение «файл не найден». Тот же порядок справедлив и при запуске программы из уже выполняющейся в системе программы. При этом первым каталогом в поиске запускаемой программы будет рабочий каталог запускающей программы.

Файлы данных, указанные по имени без полного пути, ищутся в рабочем каталоге программы, которая пытается их открыть. Если там файл не найден, то система возвращает программе сообщение об ошибке «файл не найден», и на этом поиск заканчивается. Если программе нужны более расширенные возможности поиска, она должна реализовать их самостоятельно.

Кэширование дисков. Для оптимизации работы с диском большинство ОС используют так называемое кэширование. Суть его заключается в том, что при попытке программы прочитать данные из файла, ОС считывает с диска некоторый объём данных, которые не были запрошены, но могут быть запрошены позже (например, при попытке прочитать 100 байт из файла ОС может считать в память сразу весь файл). При последующем обращении к файлу данные поступают уже не с диска, а из ОЗУ. Это сильно экономит время работы с файлом, поскольку избавляет от необходимости при каждом обращении выполнять полный цикл операций обращения к диску. При попытке записи в файл ОС может также запомнить записываемые данные в ОЗУ, а физически изменить файл на диске в момент меньшей загрузки системы.

Кэширование сильно ускоряет работу с файлами, но создаёт и некоторые дополнительные проблемы. Во-первых, для кэширования необходим достаточно большой объём свободной оперативной памяти (десятки мегабайт), иначе кэширование не будет достаточно эффективным. Кроме того, при внезапном выключении компьютера (например, при обрыве питающей сети) данные из кэша пропадут, хотя пользователь при этом может быть убеждён, что данные сохранились, поскольку операция записи файла завершилась.

Виртуальные диски. При наличии в системе достаточно большого объёма свободной оперативной памяти и необходимости иметь диск с очень высокой скоростью доступа, некоторые ОС обеспечивают возможность создания так называемых виртуальных дисков. Виртуальный диск – это участок ОЗУ системы, который с помощью специального драйвера организован так, что программы и пользователь воспринимают его как ещё один, дополнительный логический диск. Работа с виртуальным диском ничем не отличается от работы с физическим диском, но данные на виртуальном диске могут храниться только до выключения питания компьютера, а скорость доступа к этому диску на два-три порядка выше, чем скорость доступа к информации на физических дисках. В последнее время виртуальные диски практически не применяются, поскольку гораздо более эффективным стало использование ОЗУ большого объёма другими средствами, хотя ещё относительно недавно их использование было весьма распространено.

Дата добавления: 2014-12-07