Файлы на компьютере создаются и размещаются на базе системных принципов. Благодаря их реализации, пользователь получает возможность комфортно обращаться к нужной информации, не задумываясь о сложных алгоритмах доступа к ней. Каким образом организована работа файловых систем? Какие из них самые популярные сегодня? Каковы различия между файловыми системами, адаптированными для ПК? И теми, что используются в мобильных устройствах - смартфонах или планшетах?
Файловые системы: определение
Согласно распространенному определению, файловая система - это совокупность алгоритмов и стандартов, задействуемых с целью организации эффективного доступа пользователя ПК к данным, размещенным на компьютере. Некоторые специалисты считают ее частью Другие IT-эксперты, признавая тот факт, что она непосредственно связана с ОС, полагают, что файловая система - независимый компонент управления компьютерными данными.
Каким образом использовались компьютеры до того, как была изобретена файловая система? Информатика - как научная дисциплина - зафиксировала тот факт, что долгое время управление данными осуществлялось посредством структурирования в рамках алгоритмов, заложенных в конкретных программах. Таким образом, один из критериев файловой системы - это наличие стандартов, одинаковых для большинства программ, использующих доступ к данным.
Принципы работы файловых систем
Файловая система - это, прежде всего, механизм, предполагающий задействование аппаратных ресурсов компьютера. Как правило, речь здесь идет о магнитных или лазерных носителях - жестких дисках, CD, DVD, флешках, еще не успевших устареть дискетах. Для того чтобы понять, как соответствующая система работает, определимся с тем, что же такое собственно сам файл.
Согласно общепринятому в среде IT-экспертов определению, это область данных фиксированной величины, выражаемая в базовых единицах измерения информации - байтах. Располагается файл на дисковом носителе, как правило, в виде нескольких связанных между собой блоков, имеющих конкретный "адрес" доступа. Файловая система определяет эти самые координаты и "сообщает" их, в свою очередь, ОС. Которая понятным образом транслирует соответствующие данные пользователю. Происходит обращение к данным с целью считывания их, модифицирования, создания новых. Конкретный алгоритм работы с "координатами" файлов может быть разным. Он зависит от типа компьютера, ОС, специфики хранящихся данных и прочих условий. Потому, есть различные виды файловых систем. Каждая из них оптимизирована для использования в конкретной ОС или для работы с определенными типами данных.
Адаптирование дискового носителя к использованию посредством алгоритмов конкретной файловой системы называется форматированием. Соответствующие аппаратные элементы диска - кластеры - подготавливаются к последующей записи на них файлов, а также чтения их в соответствии со стандартами, заложенными в той или иной системе управления данными. Как поменять файловую систему? В большинстве случаев это можно сделать, только переформатировав носитель данных. Как правило, файлы при этом стираются. Однако есть вариант, при котором, задействуя специальные программы, все же можно, хотя это, как правило, требует большого количества времени, поменять систему управления данными, оставив последние нетронутыми.
Файловые системы работают не без ошибок. Возможны некоторые сбои в организации работы с блоками данных. Но они в большинстве случаев не критичны. Как правило, нет проблем с тем, как исправить файловую систему, устранить ошибки. В ОС Windows для этого, в частности, предусмотрены встроенные программные решения, доступные для любого пользователя. Такие как, например, программа "Проверка диска".
Разновидности
Какие виды файловых систем можно назвать самыми распространенными? Вероятно, в первую очередь те, что используются самой популярной ОС для ПК в мире - Windows. Основные файловые системы Windows - это FAT, FAT32, NTFS и их различные модификации. Наряду с компьютерами популярность обрели смартфоны и планшеты. Большинство из них, если говорить о глобальном рынке и не рассматривать различия в технологических платформах, управляется ОС Android и iOS. Эти ОС задействуют свои алгоритмы работы с данными, отличные от тех, которыми характеризуются файловые системы Windows.
Стандарты, открытые для всех
Отметим, что в последнее время на мировом рынке электроники наблюдается некоторая унификация стандартов в аспекте работы ОС с различными типами данных. Это прослеживается в двух аспектах. Во-первых, на разных устройствах под управлением двух несхожих типов ОС часто используется одна и та же файловая система, в одинаковой степени совместимая с каждой ОС. Во-вторых, современные версии ОС, как правило, способны распознавать не только типичные для себя файловые системы, но и те, что традиционно используются в других ОС - как посредством встроенных алгоритмов, так и с помощью стороннего программного обеспечения. Например, современные версии Linux, как правило, без проблем распознают отмеченные файловые системы для Windows.
Структура файловой системы
Несмотря на то что виды файловых систем представлены в достаточно большом количестве, работают они в целом по очень схожим принципам (общую схему мы изложили выше) и в рамках сходных структурных элементов или объектов. Рассмотрим их. Каковы основные объекты файловой системы?
Один из ключевых - Он являет собой изолированную область данных, в которой могут размещаться файлы. Структура каталогов - иерархическая. Что это значит? Один или несколько каталогов могут размещаться в другом. Который, в свою очередь, входит в состав "вышестоящего". Самым "главным" считается корневой каталог. Если говорить о принципах, на базе которых работает файловая система Windows - 7, 8, XP или же другой версии, - корневым каталогом считается логический диск, обозначаемый буквой - как правило, C, D, E (но можно настроить любую, что есть в английском алфавите). Что касается, к примеру, ОС Linux, то там корневым каталогом выступает магнитный носитель в целом. В этой и других ОС, основанных на ее принципах - к таковым относится Android - логические диски не используются. Можно ли хранить файлы без каталогов? Да. Но это не очень удобно. Собственно, комфорт в пользовании ПК - одна из причин внедрения в файловых системах принципа распределения данных по каталогам. Называться, кстати, они могут по-разному. В Windows каталоги именуются папками, в Linux - в основном так же. Но традиционное, используемое в течение многих лет название каталогов в этой ОС - "директории". Как и в предшествующих Windows и Linux ОС - DOS, Unix.
В среде IT-специалистов нет однозначного мнения касательно того, считать ли файл структурным элементом соответствующей системы. Те, кто полагает, что это не совсем корректно, аргументируют свою точку зрения тем, что система вполне может существовать и без файлов. Пусть это с практической точки зрения и бесполезное явление. Даже если на диске никаких файлов не записано, соответствующая система все равно может присутствовать. Как правило, магнитные носители, продаваемые в магазинах, не содержат каких-либо файлов. Но на них уже присутствует соответствующая система. Согласно другой точке зрения, файлы нужно считать неотъемлемой составляющей систем, которыми они управляются. Почему? А потому, что, как считают эксперты, алгоритмы их задействования адаптированы прежде всего под работу именно с файлами в рамках тех или иных стандартов. Ни для чего другого рассматриваемые системы не предназначены.
Еще один элемент, присутствующий в большинстве файловых систем - Он представляет собой область данных, содержащих сведения о размещении конкретного файла в определенном месте. То есть разместить ярлык можно в одном месте диска, однако при этом возможно обеспечение доступа к нужной области данных, которая располагается в другой части носителя. Считать, что ярлыки - это полноценные объекты файловой системы, можно, если условиться, что таковыми являются также и файлы.
Так или иначе не будет ошибкой сказать, что все три типа данных - файлы, ярлыки и каталоги - являются элементами соответствующих систем. По крайней мере, этот тезис будет соответствовать одной из распространенных точек зрения. Важнейший аспект, характеризующий то, как работает файловая система - это принципы именования файлов и каталогов.
Имена файлов и каталогов в разных системах
Если условиться, что файлы - это все же составные элементы соответствующих им систем, то стоит рассмотреть их базовую структуру. Что можно отметить в первую очередь? Для удобства организации доступа к ним в большинстве современных систем управления данными предусмотрена двухуровневая структура именования файлов. Первый уровень - это название. Второй - расширение. Возьмем для примера музыкальный файл Dance.mp3. Dance - это название. Mp3 - расширение. Первое призвано раскрывать для пользователя суть содержания файла (а для программы быть ориентиром для быстрого доступа). Второе обозначает тип файла. Если он Mp3, то нетрудно догадаться, что речь идет о музыке. Файлы с расширением Doc - это, как правило, документы, Jpg - картинки, Html - веб-страницы.
Каталоги, в свою очередь, имеют одноуровневую структуру. У них есть только название, расширения нет. Если говорить о различиях между разными видами систем управления данными, то первое, на что следует обратить внимание - это как раз-таки реализуемые в них принципы именования файлов и каталогов. Касательно ОС Windows специфика следующая. В самой популярной в мире операционной системе файлы могут иметь название на любом языке. Максимальная длина, правда, при этом ограничена. Конкретный ее интервал зависит от используемой системы управления данными. Обычно это значения в пределах 200-260 символов.
Общее правило для всех ОС и соответствующих им систем управления данными - в одном каталоге не могут находиться файлы с одинаковыми наименованиями. В Linux при этом присутствует некая "либерализация" этого правила. В одном каталоге могут быть файлы с одинаковыми буквами, но в разном регистре. Например, Dance.mp3 и DANCE.mp3. В ОС Windows это невозможно. Эти же правила установлены также и в аспекте размещения каталогов внутри других.
Адресация файлов и каталогов
Адресация файлов и каталогов - важнейший элемент соответствующей системы. В ОС Windows ее пользовательский формат может выглядеть так: C:/Documents/Music/ - это доступ к каталогу Music. Если нас интересует какой-то конкретный файл, то адрес может выглядеть так: C:/Documents/Music/Dance.mp3. Почему "пользовательский"? Дело в том, что на уровне программно-аппаратного взаимодействия компонентов компьютера структура доступа к файлам гораздо более сложная. Файловая система определяет местоположение файловых блоков и взаимодействует с ОС по большей части в рамках скрытых от пользователя операций. Однако у пользователя ПК крайне редко возникает необходимость пользоваться иными форматами "адресов". Практически всегда доступ к файлам осуществляется в указанном стандарте.
Сравнение файловых систем для Windows
Мы изучили общие принципы функционирования файловых систем. Рассмотрим теперь особенности самых распространенных их видов. В Windows чаще всего используются такие файловые системы, как FAT, FAT32, NTFS, а также exFAT. Первая в этом ряду считается устаревшей. Она, вместе с тем, долгое время была неким флагманом индустрии, но по мере роста технологичности ПК ее возможности перестали удовлетворять запросам пользователей и потребностям в ресурсах со стороны программного обеспечения.
Призванная заменить FAT файловая система - это FAT32. Как считают многие IT-эксперты, сейчас она самая популярная, если говорить о рынке ПК под управлением Windows. Она чаще всего используется при хранении файлов на жестких дисках и флешках. Также можно отметить, что эта система управления данными достаточно регулярно используется в модулях памяти различных цифровых устройств - телефонах, фотоаппаратах. Основное преимущество FAT32, которое выделяют IT-эксперты, таким образом, Несмотря на то что создана была данная файловая система компанией Microsoft, работать с данными в рамках заложенных в ней алгоритмов могут большинство современных ОС, включая те, что инсталлированы на указанные типы цифровой техники.
Есть у системы FAT32 и ряд недостатков. Прежде всего можно отметить ограничение на размер одного взятого файла - он не может быть больше 4 Гб. Также в системе FAT32 нельзя встроенными средствами Windows задать логический диск, размер которого был бы больше 32 Гб. Но это можно сделать, установив дополнительное специализированное ПО.
Другая популярная система управления файлами, что разработана Microsoft - это NTFS. Как считают некоторые IT-эксперты, по большинству параметров она превосходит FAT32. Но этот тезис справедлив, если речь идет о работе компьютера под управлением Windows. Система NTFS не настолько универсальна, как FAT32. Особенности ее функционирования делают использование данной файловой системы не всегда комфортным, в частности, в мобильных устройствах. Одно из ключевых преимуществ NFTS - надежность. Например, в тех случаях, когда у жесткого диска внезапно отключается питание, вероятность того, что файлы повредятся, сводится к минимуму, благодаря предусмотренным в NTFS алгоритмам дублирования доступа к данным.
Одна из новейших файловых систем от Microsoft - exFAT. Наилучшим образом она адаптирована для флешек. Базовые принципы работы в ней те же, что и в FAT32, но присутствует также и значимая модернизация в некоторых аспектах: например, нет никаких ограничений по размеру единичного файла. Вместе с тем система exFAT, как отмечают многие IT-эксперты, в числе тех, что обладают низкой универсальностью. На компьютерах под управлением ОС, отличных от Windows, работа с файлами при использовании exFAT может быть затруднена. Более того, даже в некоторых версиях самой Windows, таких как XP, данные на дисках, отформатированных по алгоритмам exFAT, могут не читаться. Потребуется установка дополнительного драйвера.
Отметим, что по причине задействования достаточно широкого спектра файловых систем в ОС Windows у пользователя могут возникать периодические сложности в аспекте совместимости различных устройств с компьютером. В ряде случаев, например, требуется установить драйвер файловой системы WPD (Windows Portable Devices - технологии, используемой при работе с переносными устройствами). Иногда его может не оказаться под рукой у пользователя, вследствие чего внешний носитель ОС может не распознать. Файловая система WPD может потребовать дополнительных программных средств адаптации к операционной среде на конкретном компьютере. В ряде случаев пользователь будет вынужден обращаться к IT-специалистам для решения проблемы.
Как определить, какая именно файловая система - exFAT или NTFS, а может быть, FAT32 - оптимальна для использования в конкретных случаях? Рекомендации IT-специалистов в целом следующие. Можно задействовать два основных подхода. Согласно первому следует разграничивать типичные файловые системы жестких дисков, а также те, что лучше адаптированы к флеш-накопителям. FAT и FAT32, как считают многие специалисты, лучше подходят для "флешек", NTFS - для винчестеров (в силу технологических особенностей работы с данными).
В рамках второго подхода значение имеет величина носителя. Если речь идет об использовании сравнительно небольшого объема диска или флешки, отформатировать их можно в системе FAT32. Если диск большего размера, то можно попробовать exFAT. Но только в том случае, если не предполагается использование носителей на других компьютерах, особенно тех, где стоят не самые свежие версии Windows. Если речь идет о больших жестких дисках, в том числе и внешних, то их целесообразно форматировать в NTFS. Примерно таковы критерии, по которым может быть выбрана оптимальная файловая система - exFAT или NTFS, FAT32. То есть использовать какую-либо из них следует, учитывая размер носителя, его тип, а также версию ОС, на котором накопитель преимущественно используется.
Файловые системы для Mac
Другая популярная программно-аппаратная платформа на мировом рынке компьютерной техники - Macintosh от Apple. ПК данной линейки работают под управлением операционной системы Mac OS. Каковы особенности организации работы с файлами в компьютерах Mac? В самых современных ПК от Apple используется файловая система Mac OS Extended. Ранее в компьютерах Mac работа с данными управлялась в соответствии со стандартами HFS.
Главное, что можно отметить в аспекте ее характеристик: на диске, которым управляет файловая система Mac OS Extended, могут размещаться файлы очень большого объема - речь может идти о нескольких миллионах терабайт.
Файловая система в Android-устройствах
Самая популярная ОС для мобильных устройств - виде электронной техники, не уступающей по популярности ПК, - это Android. Каким образом осуществляется управление файлами на девайсах соответствующего типа? Отметим прежде всего, что данная операционная система - фактически "мобильная" адаптация ОС Linux, которая, благодаря открытому программному коду, может быть модифицирована с перспективой использования на самом широком спектре устройств. Поэтому управление файлами в мобильных девайсах под управлением Android осуществляется в целом по тем же принципам, что и в Linux. Некоторые из них мы отметили выше. В частности, управление файлами в Linux осуществляется без деления носителя на логические диски, как это происходит в Windows. Что еще интересного заключает в себе файловая система Android?
Корневым каталогом в Android, как правило, выступает область данных, именуемая /mnt. Соответственно, адрес нужного файла может выглядеть примерно так: /mnt/sd/photo.jpg. Кроме того, есть еще одна особенность системы управления данными, что реализована в данной мобильной ОС. Дело в том, что флеш-память девайса, как правило, классифицирована на несколько разделов, таких как, например, System или Data. При этом, изначально заданный размер каждого из них изменить нельзя. Приблизительную аналогию касательно данного технологического аспекта можно обнаружить, вспомнив, что нельзя (если не использовать специального ПО) менять размер логических дисков в Windows. Он должен быть фиксированным.
Еще одна интересная особенность организации работы с файлами в Android - соответствующая операционная система, как правило, записывает новые данные в конкретную область диска - Data. Работа, к примеру, с разделом System при этом не осуществляется. Поэтому, когда пользователь задействует функцию сброса программных настроек смартфона или планшета до уровня "заводских", то на практике это означает, что те файлы, что записаны в область Data, попросту стираются. Раздел System же, как правило, остается неизменным. Более того, какие-либо корректировки содержимого в System пользователь, не обладая специализированным ПО, осуществлять не может. Процедура, связанная с обновлением системной области носителя в Android-устройстве, называется перепрошивкой. Это не форматирование, хотя обе операции часто осуществляются одновременно. Как правило, перепрошивка применяется с целью установки на мобильное устройство более новой версии ОС Android.
Таким образом, ключевые принципы, на базе которых работает файловая система Android - отсутствие логических дисков, а также жесткое разграничение доступа к системным и пользовательским данным. Нельзя сказать, что данный подход принципиально отличается от того, что реализован в Windows, однако, как считают многие IT-эксперты, в ОС от Microsoft для пользователей присутствует несколько большая свобода в работе с файлами. Впрочем, как полагают некоторые специалисты, это нельзя считать однозначным преимуществом Windows. "Либеральный" режим в аспекте управления файлами задействуют, конечно же, не только пользователи, но и компьютерные вирусы, к которым Windows очень восприимчива (в отличие от Linux и ее "мобильной" реализации в виде Android). В этом, как считают эксперты, заключается одна из причин того, что вирусов для Android-устройств столь немного - чисто с технологической точки зрения они не могут в полной мере функционировать в операционной среде, работающей по принципам строгого контроля доступа к файлам.
Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы организовать эффективную работу с данными, хранящимися во внешней памяти, и обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с такими данными. Организовать хранение информации на магнитном диске непросто. Это требует, например, хорошего знания устройства контроллера диска, особенностей работы с его регистрами. Непосредственное взаимодействие с диском - прерогатива компонента системы ввода-вывода ОС, называемого драйвером диска. Для того чтобы избавить пользователя компьютера от сложностей взаимодействия с аппаратурой, была придумана ясная абстрактная модель файловой системы. Операции записи или чтения файла концептуально проще, чем низкоуровневые операции работы с устройствами.
Перечислим основные функции файловой системы.
1. Идентификация файлов. Связывание имени файла с выделенным ему пространством внешней памяти.
2. Распределение внешней памяти между файлами. Для работы с конкретным файлом пользователю не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем носителе информации. Например, для того чтобы загрузить документ в редактор с жесткого диска, нам не нужно знать, на какой стороне какого магнитного диска, на каком цилиндре и в каком секторе находится данный документ.
3. Обеспечение надежности и отказоустойчивости. Стоимость информации может во много раз превышать стоимость компьютера.
4. Обеспечение защиты от несанкционированного доступа.
5. Обеспечение совместного доступа к файлам, так чтобы пользователю не приходилось прилагать специальных усилий по обеспечению синхронизации доступа.
6. Обеспечение высокой производительности.
Иногда говорят, что файл - это поименованный набор связанной информации, записанной во вторичную память. Для большинства пользователей файловая система - наиболее видимая часть ОС. Она предоставляет механизм для онлайнового хранения и доступа как к данным, так и к программам для всех пользователей системы. С точки зрения пользователя, файл - единица внешней памяти, то есть данные, записанные на диск, должны быть в составе какого-нибудь файла.
37. Простейшая таблица оглавления тома и её элементы
Файловая система включает в себя таблицу содержания и область данных – совокупность блоков на диске, идентифицируемых своими номерами / адресами. Пример простейшей (абстрактной) таблицы содержания, оглавления тома (диска, пакета дисков), которая в разных ОС имеет различные наименования – VTOC – Volume Table of Content(Таблица Содержания Тома), FAT – File Allocation Table (Таблица Размещения Файлов), FDT – File Definition Table (Таблица Определения Файлов) и т. п., приведена на рис. 1.
Рис. 1. Простейшая таблица оглавления тома
Она состоит из трех областей:
· область файлов. Это таблица, имеющая обычно ограниченное (в приведенном примере N =6) число строк N (в MS-DOS, например, N =500, т.е. число файлов не более 500). Количество столбцов M (в примере M= 5)обычно выбирается из тех соображений, чтобы 85 -95%файлом, создаваемых пользователем содержало бы не более М блоков, что зависит как от размера блока и типа пользователя, так и от общего уровня развития информационного и программного обеспечения. Первый столбец таблицы в каждой строке (заглавная запись – Title Record) содержит данные о файле, в данном примере – имя файла;
· область переполнения - дополнительная таблица аналогичной структуры, в которую записываются номера блоков особо длинных файлов (в примере - File_l). Организация таблицы размещения в форме области файлов и области переполнения, очевидно, позволяет сэкономить на объеме таблицы в целом, не ограничивая в то же время вероятной длины файла;
· список свободных блоков - необходимая информация для размещения создаваемых или расширяемых файлов. Список создается при инициализации и включает все блоки, кроме поврежденных, а затем корректируется при создании, удалении, модификации файлов;
· список сбойных блоков. Это таблица, создаваемая при инициализации (разметке) тома (диска), пополняемая программами диагностики (примером которых может служить хорошо известный пользователям NDD - Norton Disk Doctor) и предотвращающая распределение испорченных областей на магнитном носителе под файлы данных.
Перечислим особенности ситуации, зафиксированной на рис.1. в простейшей (искусственной) файловой системе.
File_l занимает 6 блоков, это число больше максимального, поэтому адрес блока № 6 (23) размещен в таблице переполнения;
File_2 занимает 2 блока, что меньше ограничения, поэтому вся информация сосредоточена в области файлов.
Имеются следующие конфликтные ситуации:
· File_3 не содержит ни одного блока (следовательно, файл был удален, но заглавная запись сохранилась);
· File_4 и File_l ссылаются на блок № 3. Это ошибка, поскольку каждый блок должен быть закреплен за единственным файлом;
· в списке свободных блоков содержатся номера блоков № 12 (помеченный как сбойный) и № 13 (распределенный под File_1).
38. Логическая структура разделов диска на примере IBM- и MS-совместимых файловых систем
Логическими дисками D и E
Максимальное число первичных разделов- 4. Активный раздел тот, где находится системный загрузчик.
MBR - код и данные, необходимые для последующей загрузки операционной системы и расположенные в первых физических секторах (чаще всего в самом первом) на жёстком диске или другом устройстве хранения информации.
Запись расширенного раздела называют SMBR (Secondary Master Boot Record ). Отличие этой записи заключается в том, что она не имеет загрузчика, а таблица разделов состоит из двух записей: основной раздел и расширенный раздел.
39. Файловая система FAT. Структура тома FAT
40. Файловая система NTFS. Структура тома NTFS
41. Реестр ОС Windows
42. Операционные системы семейства Windows NT
43. Некоторые архитектурные модули Windows NT
44. Управление жесткими дисками в Windows NT
45. Проективные операционные системы, их принципы, преимущества, недостатки
46. Процедурные операционные системы, их принципы, преимущества, недостатки
47. История развития и идеология построения ОС Unix
48. Структура ОС Unix
49. Пользовательские интерфейсы Unix
50. Диспетчеризация процессов (задач) в Unix
51. ОС Linux и ее основные преимущества
52. Реализация графического режима в ОС Linux
53. Основные принципы работы в ОС Linux
54. Основные файлы конфигурации ОС Linux
55. Работа с дисковыми накопителями в ОС Linux
56. Приложения для ОС Linux
Файловая система FreeBSD является ключевым моментом в понимании устройства всей системы. Самым важным понятием является, несомненно, корневой каталог, обозначаемый символом "/". Корневой каталог монтируется самым первым на этапе загрузки и содержит все необходимое, чтобы подготовить систему к загрузке в многопользовательский режим. Корневой каталог также содержит точки монтирования всех других файловых систем.
UNIX не использует букв дисков, или других имен дисков в пути. Это значит, что не нужно писать c:/foo/bar/readme.txt в UNIX.
Вместо этого, одна файловая система назначается корневой файловой системой. Обращение к корневому каталогу корневой файловой системы происходит через /. Любая другая файловая система монтируется к корневой файловой системе. Неважно как много дисков есть в вашей системе FreeBSD, каждый каталог будет выглядеть как расположенный на том же диске.
Точкой монтирования называется каталог, который будет соответствовать корню смонтированной файловой системы. Стандартные точки монтирования включают /usr, /var, /tmp, /mnt и /cdrom. Эти каталоги обычно перечислены в файле /etc/fstab, в котором указаны файловые системы и их точки монтирования. Большинство файловых систем, описанных в /etc/fstab монтируются автоматически, если только для них не указана опция noauto.
Монтирование файловых систем во FreeBSD
Для монтирования файловых используется команда mount, для размонтирования – umount. Подробную информацию об этих командах и используемых ими опциях можно найти справочной системе.
Файловые системы содержатся в разделах. Каждый раздел обозначается буквой от a до h. Каждый раздел может содержать только одну файловую систему, это значит что файловая система может быть описана ее точкой монтирования в файловой иерархии, или буквой раздела, в котором она содержится.
FreeBSD также использует дисковое пространство под раздел подкачки (swap space). Подкачка позволяет FreeBSD работать с виртуальной памятью. Ваш компьютер может работать так, как если бы у него было больше памяти, чем есть на самом деле. Когда у FreeBSD кончается память, она перемещает часть данных, не используемых в данный момент, в раздел подкачки и возвращает их обратно (перемещая в подкачку что-то другое), когда они нужны.
По некоторым разделам есть определенные соглашения:
Это позволяет утилитам, которым нужно работать над всем слайсом (например, сканер плохих блоков), работать с разделом c. В обычной ситуации не нужно создавать файловую систему на этом разделе.
Каждый раздел, содержащий файловую систему, хранится на том, что во FreeBSD называется слайс (slice). Слайс - это термин FreeBSD, то, что обычно называют разделом в других операционных системах (например, Windows и Linux).
Слайсы нумеруются с 1 по 4. Номера слайсов следуют за именем устройства, предваряемые строчной s, начиная с 1. Так "da0s1" это первый слайс первого SCSI устройства.
Может быть только четыре физических слайса на диске, но могут быть логические слайсы нужного типа внутри физических слайсов. Эти дополнительные слайсы нумеруются начиная с 5, так что "ad0s5" это первый дополнительный слайс на первом IDE диске. Эти устройства используются файловыми системами, занимающими весь слайс.
Слайсы, "эксклюзивно выделенные (dangerously dedicated)" физические устройства и другие устройства содержат разделы, представляемые буквами от a до h. Эти буквы добавляются к имени устройства. "da0a" это раздел a на первом устройстве da, который "эксклюзивно выделен". "ad1s3e" это пятый раздел в третьем слайсе второго IDE диска.
Наконец, каждый диск имеет своё имя, которое начинается с кода, обозначающего тип диска, затем идет номер диска. В отличие от слайсов, нумерация дисков начинается с 0. Основные коды указаны в таблице ниже:
| Код | Значение |
| ad | ATAPI (IDE) диск |
| da | SCSI direct access диск |
| acd | ATAPI (IDE) CDROM |
| cd | SCSI CDROM |
| fd | Floppy disk |
Иерархия файловой системы
Полное описание иерархии файловой системы есть в справочном руководстве (man hier). В таблице ниже перечислены наиболее важные каталоги.
| Каталог | Описание |
| / | Корневой каталог файловой системы. |
| /bin/ | Основные утилиты, необходимые для работы как в однопользовательском, так и в многопользовательском режимах. |
| /boot/ | Программы и конфигурационные файлы, необходимые для нормальной загрузки операционной системы. |
| /boot/defaults/ | Конфигурационные файлы с настройками по умолчанию, используемые в процессе загрузки операционной системы |
| /dev/ | Файлы устройств |
| /etc/ | Основные конфигурационные файлы системы и скрипты. |
| /etc/defaults/ | Основные конфигурационные файлы системы с настройками по умолчанию |
| /etc/mail/ | Конфигурационные файлы для систем обработки почты |
| /etc/namedb/ | Конфигурационные файлы для утилиты named |
| /etc/periodic/ | Файлы сценариев, выполняемые ежедневно, еженедельно и ежемесячно |
| /etc/ppp/ | Конфигурационные файлы для утилиты ppp |
| /mnt/ | Пустой каталог, часто используемый системными администраторами как временная точка монтирования. |
| /proc/ | Виртуальная файловая система, отображающая текущие процессы |
| /rescue/ | Статически собранные программы для восстановления после сбоев. |
| /root/ | Домашний каталог пользователя root. |
| /sbin/ | Системные утилиты и утилиты администрирования, необходимые для работы как в однопользовательском, так и в многопользовательском режимах. |
| /tmp/ | Временные файлы. Содержимое /tmp обычно теряется во время перезагрузки системы. |
| /usr/ | Большинство пользовательских утилит и приложений. |
| /usr/bin/ | Пользовательские утилиты и приложения общего назначения. |
| /usr/include/ | Файлы стандартных библиотек. |
| /usr/libdata/ | Файлы данных для различных утилит. |
| /usr/libexec/ | Системные демоны и утилиты (выполняемые другими программами). |
| /usr/local/ | Локальные пользовательские приложения, библиотеки, и т.д. Также используется по умолчанию коллекцией портов. Внутри /usr/local иерархия каталогов должна следовать стандарту иерархии для /usr. Исключение составляют каталог man, который расположен непосредственно в /usr/local, а не в /usr/local/share, и документация портов, которая расположена в share/doc/port. |
| /usr/obj/ | Архитектурно-зависимые файлы и каталоги, образующиеся в процессе сборки системы из исходных текстов в /usr/src. |
| /usr/ports/ | Коллекция портов FreeBSD (опционально). |
| /usr/sbin/ | Системные утилиты и утилиты администрирования (исполняемые пользователем). |
| /usr/share/ | Архитектурно-независимые файлы. |
| /usr/src/ | Исходные тексты BSD и/или программ. |
| /usr/X11R6/ | Утилиты, приложения и библиотеки X11R6 (X Window System; необязательно). |
| /var/ | Файлы журналов общего назначения, временные, перемещаемые файлы и файлы очередей. |
| /var/log/ | Различные файлы системных журналов. |
| /var/mail/ | Почтовые ящики пользователей. |
| /var/spool/ | Файлы очередей печати, почты, и пр. |
| /var/tmp/ | Временные файлы, которые обычно сохраняются во время перезагрузки системы, если только /var не является файловой системой в памяти. |
Типы и виды файлов
В отличие от ОС Windows, в UNIX расширение файла не определяет его тип и может вообще отсутствовать. Расширение обычно используется для удобства пользователя и операционной системе не требуется. Вместо этого, UNIX определяет тип файла с помощью магии (подсистемы magic), которая на основании магических чисел (magic numbers), полученных в результате анализа содержимого файла делает вывод о типе файла. Таблица магических чисел постоянно обновляется и уточняется и содержит сигнатуры различных типов файлов. Кроме того, в UNIX существуют различные виды файлов, информация о которых содержится атрибутах файловой системы для этих файлов. Всего в UNIX существует 6 различных видов файлов:
- Обычный файл (regular file)
- Каталог (directory)
- Специальный файл устройства (special device file)
- FIFO, или именованный канал (named pipe)
- Символьная ссылка (symbol link)
- Сокет (socket)
Файлы устройств и каталог /dev
Термин "устройство" используется в основном по отношению к аппаратному обеспечению системы, такому как диски, принтеры, графические адаптеры, устройства ввода текста. В UNIX доступ к большинству этих устройств можно получить через специальные файлы устройств, расположенные в каталоге /dev. При добавлении в систему нового устройства или добавлении поддержки дополнительных устройств потребуется создать один или несколько файлов устройств для нового оборудования. Для устранения необходимости в этих действиях в FreeBSD используется Device filesystem, или DEVFS. Она предоставляет доступ к пространству устройств ядра через общую файловую систему. Вместо создания и модификации файлов устройств, DEVFS создает специальную файловую систему.
Файловая система обычно размещается на дисках или других устройствах внешней памяти, имеющих блочную структуру. Кроме блоков, сохраняющих каталоги и файлы, во внешней памяти поддерживается еще несколько служебных областей.
В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs). Файловая система s5 состоит из четырех секций (рисунок 2.2,a). В файловой системе ufs на логическом диске (разделе реального диска) находится последовательность секций файловой системы (рисунок 2.2,b).
Рис. 2.2. Структура внешней памяти файловых систем s5 и ufs
Кратко опишем суть и назначение каждой области диска.
- Boot -блок содержит программу раскрутки, которая служит для первоначального запуска ОС UNIX. В файловых системах s5 реально используется boot -блок только корневой файловой системы. В дополнительных файловых системах эта область присутствует, но не используется.
- Суперблок - это наиболее ответственная область файловой системы, содержащая информацию, которая необходима для работы с файловой системой в целом. Суперблок содержит список свободных блоков и свободные i-узлы (information nodes - информационные узлы). В файловых системах ufs для повышения устойчивости поддерживается несколько копий суперблока (как видно из рисунка 2.2,b, по одной копии на группу цилиндров). Каждая копия суперблока имеет размер 8196 байт, и только одна копия суперблока используется при монтировании файловой системы (см. ниже). Однако, если при монтировании устанавливается, что первичная копия суперблока повреждена или не удовлетворяет критериям целостности информации, используется резервная копия.
- Блок группы цилиндров содержит число i-узлов, специфицированных в списке i-узлов для данной группы цилиндров, и число блоков данных, которые связаны с этими i-узлами. Размер блока группы цилиндров зависит от размера файловой системы. Для повышения эффективности файловая система ufs старается размещать i-узлы и блоки данных в одной и той же группе цилиндров.
- Список i-узлов (ilist) содержит список i-узлов, соответствующих файлам данной файловой системы. Максимальное число файлов, которые могут быть созданы в файловой системе, определяется числом доступных i-узлов. В i-узле хранится информация, описывающая файл: режимы доступа к файлу, время создания и последней модификации, идентификатор пользователя и идентификатор группы создателя файла, описание блочной структуры файла и т.д.
- Блоки данных - в этой части файловой системы хранятся реальные данные файлов. В случае файловой системы ufs все блоки данных одного файла пытаются разместить в одной группе цилиндров. Размер блока данных определяется при форматировании файловой системы командой mkfs и может быть установлен в 512, 1024, 2048, 4096 или 8192 байтов.
Структура файловой системы. Механизм доступа к файлам.
Файл (file ) - поименованная совокупность данных. С файлами возможно производить операции как с единым целым при помощи операторов: oткрыть(open ), закрыть(close ), создать(create ), уничтожить(destroy ), копировать(copy ), переименовать(rename ), вывести(list ). Кроме того, возможны операции над отдельными компонентами файлов: прочитать(read ), записать(write ), обновить(update ), вставить(insert ), исключить(delete ).
Организация файлов
Под организацией файлов понимается способ расположения записей во внешней памяти. Существуют следующие способы организации.
· Последовательная - записи располагаются в физическом порядке, т. е. “следующая” запись - это запись, которая физически следует за предыдущей, здесь записи могут быть как фиксированной длины, так и переменной.
Записи фиксированной
длины
Записи переменной
длины
Указатели длины записи
· Индексно-последовательная - записи располагаются в логической последовательности в соответствии со значениями ключей, содержащихся в каждой записи. Доступ к индексно-последовательным записям может осуществляться последовательно, в порядке возрастания/убывания значений ключа, либо прямо по ключу, путем поиска по системному индексу.
https://pandia.ru/text/78/277/images/image012_9.gif" height="108 src=">.gif" width="214">
· Прямая - доступ к записям осуществляется произвольно по их физическим адресам на запоминающем устройстве прямого доступа.
· Библиотечная - это по сути файл, состоящий из последовательных подфайлов, где каждый последовательный подфайл называется элементом, или членом файла. Начальный адрес каждого такого элемента хранится в директории файла. Библиотечные (секционированные) файлы наиболее часто используются для хранения программных библиотек или библиотек макросов.
Методы доступа
Операционные системы реализуют, как правило, различные методы доступа к файлам, которые можно сгруппировать в две категории:
· методы доступа с очередями;
· базисные методы доступа.
Методы доступа с очередями применяются в тех случаях, когда последовательность обработки записей можно предвидеть, например при последовательной и индексно-последовательной организациях. В этих методах предусматривается упреждающая буферизация и планирование операций ввода-вывода. Кроме того, эти методы обеспечивают автоматическое блокирование и деблокирование записей.
Базисные методы доступа применяются обычно в случаях, когда последовательность обработки записей предвидеть нельзя, в частности при прямом или произвольном доступе. Базисными методами читаются и записываются физические блоки, блокирование и деблокирование, при необходимости, определяет сам пользователь.
Характеристики файлов
· Изменчивость - указывает на частоту внесения в файл новых записей и удаление старых. Когда частота мала, файл называют статичным , а когда велика - динамичным или изменчивым файлом.
· Активность - определяется процентом записей файла, обрабатываемых в течение данного прогона.
· Размер - определяет количество информации, хранящейся в файле.
Файловая система
Файловая система - это часть общей системы управления памятью (см. Структура ядра ОС), назначение которой сводится в основном к управлению файлами, хранящимися во внешней памяти, а также к контролируемому разделению информации между пользователями.
Функции файловой системы
· предоставление возможности создавать, модифицировать, уничтожать файлы;
· контролируемое разделение файлов несколькими пользователями;
· предоставление пользователю возможности задания различной структуры файлов и возможности управления передачей информации между файлами;
· в системе должны быть предусмотрены средства обеспечения сохранности и восстановления информации в файлах;
· система должна обеспечивать независимость файлов от внешних устройств, т. е. пользователям должна быть предоставлена возможность обращения к файлам с использованием символических имен;
· система должна предоставлять защиту информации в файлах от несанкционированнного доступа (возможность шифрования и дешифрования данных);
· файловая система должна иметь “дружественный” интерфейс по отношению к пользователю.
Состав файловой системы
Файловая система, входящая в состав ядра ОС, как правило, содержит следующие средства:
· Методы доступа , которые определяют конкретную организацию доступа к данным, хранящимся в файлах.
· Средства управления файлами, обеспечивающие хранение файлов, обращение к ним, коллективное использование и защиту.
· Средства управления внешней памятью, обеспечивающие распределение пространства внешней памяти для размещения файлов.
· Средства обеспечения целостности файлов, которые гарантируют сохранность информации файла.
Размещение файлов в дисковой памяти
Размещение файлов в дисковой памяти во многом похоже на распределение памяти при мультипрограммировании с переменными разделами. Заметим, что в процессе работы системы, дисковое пространство подвержено фрагментации, в связи с чем, размещение файлов приходится осуществлять по разбросанным блокам. Очевидно, возможно использовать уже рассмотренный нами способ “сбора мусора”, однако это не всегда бывает эффективно.
Связное распределение памяти
1 Свободен |
2 |
3 |
4 |
5 Свободен |
Связное распределение памяти предполагает, что каждому файлу отводится одна непрерывная область внешней памяти. Одним из достоинств этого метода является то, что последовательные логические записи размещаются, как правило, физически рядом, что позволяет повысить скорость доступа. Достаточно просто в этом случае и реализовать каталоги, т. к. для каждого файла необходимо хранить только начальный адрес и длину файла. Недостатком такого подхода к распределению памяти является то, что после уничтожения файлов и возвращении, занимаемого ими ресурса в список свободных, вновь размещаемые файлы должны укладываться в существующие свободные области. Таким образом мы здесь сталкиваемся с теми же проблемами, что и при фрагментации в системах мультипрограммирования с переменными разделами - необходимость объединения свободных соседних участков памяти. Кроме того, при работе с динамично меняющимися размерами файлов этот способ может оказаться нерациональным.
Несвязное распределение памяти
Распределение при помощи списков секторов
В этом случае память рассматривается как набор индивидуальных секторов. Файлы состоят из секторов, которые могут находиться в различных местах внешней памяти. Секторы, принадлежащие одному файлу, содержат ссылки-указатели друг на друга, образующие список. В списке свободного пространства содержатся все свободные секторы внешней памяти.
1 |
2 Свободен |
3 |
4 Свободен |
5 |
При необходимости увеличения размера файла, соответствующий процесс запрашивает дополнительное количество секторов из числа свободных, а при уменьшении размера, освободившиеся секторы возвращаются в список свободных. Таким образом, удается избежать необходимости уплотнения памяти.
Недостатком же такого способа распределения памяти является увеличение накладных расходов для создания механизма обработки ссылок-указателей, а также возможное увеличение времени доступа.
Поблочное распределение памяти
Вариант поблочного распределения совмещает в себе элементы связного и несвязного распределения, в этом случае память распределяется не индивидуальными секторами, а блоками смежных секторов, причем при выделении новых блоков система стремится выбирать свободные блоки, как можно ближе к уже существующим блокам файла. При каждом обращении к файлу вначале определяется соответствующий блок, а затем соответствующий сектор в рамках этого блока.
Реализация поблочного распределения памяти может осуществляться при помощи цепочек блоков, цепочек индексных блоков и таблиц отображения.
Цепочка блоков
Каталог
Gif" width="51" height="12">Файл Местоположение Данные Данные Данные Nil
В схеме с цепочками блоков строка в каталоге указывает на первый блок файла, далее каждый блок фиксированной длины, входящий в состав файла, содержит две части: собственно данные и указатель следующего блока. Минимально выделяемая единица памяти - это блок фиксированного размера.
Очевидно, что для нахождения конкретной записи в файле, необходимо просмотрев цепочку, найти соответствующий блок, а затем в блоке необходимую запись. Поскольку блоки могут быть разбросаны по всему диску, то этот процесс может занимать много времени. Для сокращения времени доступа можно цепочки делать с двунаправленными ссылками, что дает возможность просматривать цепочку в обоих направлениях.
Цепочка индексных блоков
Каталог
Цепочка индексных блоков
https://pandia.ru/text/78/277/images/image033_0.gif" width="166" height="165 src=">left">
В схеме с таблицами поблочного отображения вместо указателей используются номера блоков. Обычно номера легко преобразуются в фактические адреса. Используется таблица отображения файлов, в которой содержатся по одной строке на каждый блок диска. Строка в каталоге пользователя указывает на строку таблицы отображения, соответствующей первому блоку данного файла. Каждая строка таблицы отображения содержит номер следующего блока данного файла. Таким образом, можно все блоки файла находить последовательно просматривая строки таблицы отображения файлов. В тех строках таблицы, которые соответствуют последним блокам файлов, обычно устанавливается пустой указатель Nil . В некоторых строках таблицы указывается признак “свободен”, указывающий на то, что данный блок может быть выделен по очередному запросу.
Главное достоинство подобной схемы состоит в том, что по таблице отображения файлов можно судить о физическом соседстве блоков.
