Файловая система

 

 

Содержание

1. Понятие файловой системы         1
2. Типы файлов          3

1. Обычные файлы

2. Специальные файлы
3. Каталоги

1. Иерархия каталогов       6

3. Классификация Ф.С.         8
4. Задачи Ф.С.          9
5. Логическая организация файла       9
6. Физическая организация файла адрес      10
7. Права доступа к файлу        12
8. Кэширования файла         13
9. Общая модель файловой системы       14
10. Структура Ф.С.          15
11. Монтируемые Ф.С.         17
12. Интерфейс Ф.С.         18
13. Современные архитектуры Ф.С .      20
14. Список литературы         22

Файловая система

Файловая система (англ. file system) — это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

Файловая система - порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

• совокупность всех файлов на диске,
• наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,
• комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

 

Файловая система  определяет формат содержимого и физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система  связывает носитель информации с одной стороны и API для доступа к файлам — с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте, блоке флеш-памяти или другом) он записан. Всё, что знает программа — это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

Типы  файлов

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные  файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы  в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые  файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут  быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно  прочитать на экране и распечатать  на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную  внутреннюю структуру, например, объектный  код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип  файлов - их собственные исполняемые  файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.  

Каталог -  это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

Структура каталогов файловой системы  

В разных файловых системах могут использоваться в  качестве атрибутов разные характеристики, например:

• информация о разрешенном доступе,
• пароль для доступа к файлу,
• владелец файла,
• создатель файла,
• признак "только для чтения",
• признак "скрытый файл",
• признак "системный файл",
• признак "архивный файл",
• признак "двоичный/символьный",
• признак "временный" (удалить после завершения процесса),
• признак блокировки,
• длина записи,
• указатель на ключевое поле в записи,
• длина ключа,
• времена создания, последнего доступа и последнего изменения,
• текущий размер файла,
• максимальный размер файла.

Каталоги могут  непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это  сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано  в ОС UNIX . Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня .

 Структура  каталогов: а - структура записи  каталога MS-DOS (32 байта);  
б - структура записи каталога ОС UNIX

Иерархия каталогов  может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу  разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может  входить сразу в несколько  каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную  структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как  и любой другой файл, каталог имеет  символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку  символьных имен всех каталогов, через  которые проходит путь от корня до данного каталога.

 Логическая  организация файловой системы  
а - одноуровневая; б - иерархическая (дерево); в - иерархическая (сеть)

Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на нижеследующие категории.

• Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates — в BSD системах.
• Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
• Для оптических носителей — CD и DVD, HFS, UDF и др.
• Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
• Сетевые файловые системы: NFS, SSHFS, GmailFS и др.
• Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS, exFAT.
• Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т. н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

Задачи файловой системы

Основные функции  любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

• именование файлов;
• программный интерфейс работы с файлами для приложений;
• отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
• организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских  системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого  пользователя, а также обеспечение  совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет  доступен в режиме «только чтение».

Логическая организация файла

Программист имеет  дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи. На рисунке 1.0 показаны несколько схем логической организации файла. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная организация). Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS-DOS файл имеет простейшую логическую структуру - последовательность однобайтовых записей.

      Рис. 1.0. Способы логической организации файлов

Физическая  организация и адрес файла

Физическая организация  файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит  из физических записей - блоков. Блок - наименьшая единица данных, которой  внешнее устройство обменивается с  оперативной памятью. Непрерывное  размещение - простейший вариант физической организации (рисунок 1.1,а), при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Другое достоинство этого метода - простота. Но имеются и два существенных недостатка. Во-первых, во время создания файла заранее не известна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла, во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.