Операционные системы, файловые системы

Все современные ОС обеспечивают создание файловой системы, которая предназначена для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним.

Основные функции файловой системы можно разделить на две группы:

Функции для работы с файлами (создание, удаление, переименование файлов и т.д.)

Функции для работы с данными, которые хранятся в файлах (запись, чтение, поиск данных и т.д.)

Известно, что файлы используются для организации и хранения данных на машинных носителях. Файл - это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем или поименованная область на машинных носителях.

Структурирование множества файлов на машинных носителях осуществляется с помощью каталогов, в которых хранятся атрибуты (параметры и реквизиты) файлов. Каталог может включать множество подкаталогов, в результате чего на дисках образуются разветвленные файловые структуры. Организация файлов в виде древовидной структуры называется файловой системой.

Принцип организации файловой системы - табличный. Данные о том, в каком месте на диске записан файл, хранится в таблице размещения файлов (File Allocation Table, FAT).

Эта таблица размещается в начале тома. В целях защиты тома на нем хранятся две копии FAT. В случае повреждения первой копии FAT дисковые утилиты могут воспользоваться второй копией для восстановления тома.

По принципу построения FAT похожа на оглавление книги, так как операционная система использует ее для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора 512 байт. Поскольку размер FAT - таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным.

В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Сначала для дискет и небольших жестких дисков (менее 16 Мбайт) использовалась 12-разрядная версия FAT (так называемая FAT12). Затем в MS-DOS была введена 16-разрядная версия FAT для более крупных дисков.

Операционные системы MS DOS, Win 95, Win NT реализуют 16 - разрядные поля в таблицах размещения файлов. Файловая система FAT32 была введена в Windows 95 OSR2 и поддерживается в Windows 98 и Windows 2000.

FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT, предназначенную для использования на томах, объем которых превышает 2 Гбайт.

FAT32 обеспечивает поддержку дисков размером до 2 Тбайт и более эффективное расходование дискового пространства. FAT32 использует более мелкие кластеры, что позволяет повысить эффективность использования дискового пространства.

В Windows XP применяется FAT32 и NTFS. Более перспективным направлением в развитии файловых систем стал переход к NTFS (New Technology File System - файловая система новой технологии) с длинными именами файлов и надежной системой безопасности.

Объем раздела NTFS не ограничен. В NTFS минимизируется объем дискового пространства, теряемый вследствие записи небольших файлов в крупные кластеры. Кроме того, NTFS позволяет экономить место на диске, сжимая сам диск, отдельные папки и файлы.

По способам именования файлов различают “короткое" и “длинное” имя.

Согласно соглашению, принятому в MS-DOS, способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3., т.е. имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение - 3 символа.

Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются “короткими".

С появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие “длинного" имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. “Длинное” имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ /: *? “ < > |.

В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Имя файла заканчивается расширением, состоящим из трех символов. Расширение используется для классификации файлов по типу.

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые проходит. В качестве разделителя используется символ “\” (обратный слеш - обратная косая черта). Например: D: \Documents and Settings\ТВА\Мои документы\lessons-tva\ robots. txt Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система.

Обычный файл представляет собой массив байтов, и может читаться и записываться, начиная с произвольного байта файла. Ядро не различает в обычных файлах границ записей, хотя многие программы воспринимают символы перевода строки в качестве признаков конца строк, но другие программы могут предполагать наличие других структур. В самом файле не хранится никакой системной информации о файле, но в файловой системе размещается некоторая информация о владельце, правах доступа и об использовании каждого файла.

Компонент под названием имя файла является строкой длиной до 255 символов. Эти имена хранятся в файле особого типа, который называется каталогом. Информация о файле в каталоге называется записью каталога и включает, кроме имени файла, указатель на сам файл. Записи каталога могут ссылаться как на другие каталоги, так и на обычные файлы. Таким образом формируется иерархия каталогов и файлов, которая и называется файловой системой filesystem;

Рисунок 2-2. Небольшая файловая система

Одна небольшая файловая система показана на Рис.2-2. Каталоги могут содержать подкаталоги, и нет ограничений вложенности одного каталога в другой по глубине. Для соблюдения целостности файловой системы, ядро не позволяет процессу производить запись непосредственно в каталоги. Файловая система может хранить не только обычные файлы и каталоги, но также ссылки на другие объекты, такие, как устройства и сокеты.

Файловая система образует дерево, начало которого находится в корневом каталоге, иногда называемому по имени слэш, которое соответствует символу одинарной наклонной черты (/). Корневой каталог содержит файлы; в нашем примере на Рисунке 2.2, он содержит vmunix, копию выполнимого объектного файла ядра. В нем также расположены каталоги; в этом примере он содержит каталог usr. Внутри каталога usr располагается каталог bin, который в основном содержит выполнимый объектный код программ, таких, как ls и vi.

Процесс обращается к файлу, указывая путь до него, который является строкой, состоящей из нескольких или ни одного имен файлов, разделенных символами слэша (/). С каждым процессом ядро связывает два каталога, при помощи которых можно интерпретировать маршруты до файлов. Корневой каталог процесса является самой верхней точкой файловой системы, которую может достичь процесс; обычно он соответствует корневому каталогу всей файловой системы. Маршрут, начинающийся с символа слэша, называется абсолютным маршрутом, и интерпретируется ядром, начиная с корневого каталога процесса.

Имя пути, которое не начинается со слэша, называется относительным маршрутом, и интерпретируется относительно текущего рабочего каталога процесса. (Этот каталог кратко также называют текущим каталогом или рабочим каталогом) Текущий каталог сам по себе можно обозначить непосредственно по имени dot, что соответствует одной точке (). Имя файла dot-dot (.) обозначает родительский каталог текущего каталога. Корневой каталог является предком самому себе.

Процесс может задать собственный корневой каталог при помощи системного вызова chroot, и установить текущий каталог системным вызовом chdir. Каждый процесс может в любой момент выполнить вызов chdir, но chroot позволено выполнять только процессу с административными привилегиями. Chroot обычно используется для ограничения доступа к системе.

Взяв файловую систему, изображенную на Рисунке 2.2, и полагая, что процесс имеет в качестве корневого каталога корневой каталог файловой системы, и в качестве текущего каталога /usr, он может обратиться к файлу vi либо от корня по абсолютному имени /usr/bin/vi, либо из текущего каталога с относительным именем bin/vi.

Системные утилиты и базы данных располагаются в нескольких всем известных каталогах. Частью предопределенной иерархии является каталог, содержащий домашний каталог для каждого пользователя - например, /usr/staff/mckusick и /usr/staff/karels на Рисунке 2.2 Когда пользователи регистрируются в системе, то рабочий каталог их командного процессора устанавливается в домашний каталог. В своих домашних каталогах пользователи могут создавать каталоги так же легко, как и обычные файлы. Таким образом, пользователь может строить иерархии каталогов произвольной сложности.

Пользователь обычно знает только об одной файловой системе, но система может знать, что одна виртуальная файловая система на самом деле состоит из нескольких физических файловых систем, каждая из которых расположена на отдельном устройстве. Физическая файловая система не может располагаться на нескольких физических устройствах. Так как большинство физических дисковых устройств разбиваются на несколько логических устройств, то на одном физическом устройстве может располагаться более одной файловой системы, но не более одной для каждого логического устройства. Одна из файловых систем - та, с которой начинаются все абсолютные имена - называется корневой файловой системой, и она всегда доступна. Другие файловые системы могут монтироваться; это значит, что они могут интегрироваться в иерархию каталогов корневой файловой системы. Ссылки на каталог, в котором находится смонтированная в него файловая системе, прозрачно преобразуются ядром в ссылки на корневой каталог смонтированной файловой системы.

Файлы организованы иерархически в каталоги. Каталог является типом файла, но, в отличие от обычных файлов, каталог имеет структуру, определяемую системой. Процесс может читать каталог, как будто это обычный файл, но только ядру разрешено изменять каталог. Каталоги создаются системным вызовом mkdir и удаляются системным вызовом rmdir. До 4.2BSD системные вызовы mkdir и rmdir были реализованы как последовательность системных вызовов link и unlink. Имелось три причины для добавления системных вызовов специально для создания и удаления каталогов:

Операция может быть сделана атомарной. Если система завершила работу аварийно, то каталог не может оставаться в промежуточном состоянии, что может случиться при последовательном вызове серии операций.

При работе сетевой файловой системы создание и удаление файлов и каталогов должны выполняться атомарно, чтобы могли выполняться последовательно.

При реализации поддержки не-UNIX файловых систем, таких, как файловая система MS-DOS, на другом разделе диска, может оказаться, что эта файловая система не поддерживает ссылочных операций. Хотя другие файловые системы могут поддерживать концепцию каталогов, скорее всего, они не будут создавать и удалять каталоги со ссылками, как это делается в файловой системе UNIX. Соответственно они могут создавать и и удалять каталоги только при наличии явных запросов на удаление или создание каталогов.

3. Файловые системы и имена файлов