Файлы и файловая система. Файловая система компьютера

Файловая система (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат 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 или блоке флеш-памяти) 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).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

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.

Как работает файловая система. Для каждого файла Windows создает путь, представляющий собой имя локального диска и названия каталогов и подкаталогов. Таким образом, путь – это своего рода адрес, по которому программа находит файл. Путь к некоторым полезным файлам вы найдете во врезке внизу. Когда программе требуется определенный файл, она посылает Windows запрос, который операционная система перенаправляет файловой системе. Используя путь, файловая система определяет физическое расположение объекта на жестком диске и передает его Windows. Файловая система создает базу данных, которая привязывает различные адреса файлов на жестком диске к соответствующим путям. В популярной файловой системе NTFS подобная база данных называется MFT (Master File Table – главная файловая таблица).

Почему копирование идет дольше, чем перемещение. При перемещении файла изменяется только запись в главной файловой таблице, а адрес файла, хранящегося на жестком диске, остается прежним. При копировании файловой системе приходится повторно сохранять данные, а на это, как правило, требуется время.

Рис. 3.8. Копирование файлов

Сохраняется ли порядок в файловой системе. Как и на складе, на жестком диске со временем возникает беспорядок. Старые файлы удаляются или переписываются в свободные области, новые данные добавляются… Кроме того, Windows сохраняет файлы в первые «подвернувшиеся под руку» свободные секторы на диске, разделяя файлы на несколько частей (фрагментов) – если он не помещается в свободную область. Поэтому со временем одному и тому же пути начинает соответствовать несколько адресов, а время открытия большого файла, например фотографии, постоянно увеличивается. Дефрагментация позволяет восстановить целостность файлов, повышая тем самым скорость работы ПК.

Чем различаются файловые системы. В зависимости от требований, предъявляемых к накопителю данных, может использоваться одна из нескольких файловых систем. Основное отличие между файловыми системами заключается в максимально допустимом размере файла.

Какие существуют файловые системы. В компьютерах используются пять типов файловых систем.

FAT16 (File Allocation Table 16). Была разработана в 1983 году и могла корректно работать только с файлами размером до 2 Гб. Допускалось использование накопителей данных емкостью не более 4 Гб и хранение не более 65 536 файлов. В настоящее время эту устаревшую файловую систему заменили FAT32 и NTFS.

FAT32. В связи с тем, что объемы данных, которые хранились на жестком диске, постоянно росли, в 1997 году была введена файловая система FAT32. Она поддерживает файлы размером не более 4 Гб, жесткие диски емкостью приблизительно до 8 Тб и позволяет хранить около 270 млн файлов. Помимо Windows 95 и выше файловую систему FAT32 могут использовать также и другие операционные системы, например Mac OS X от Apple. В настоящее время средний размер файла значительно увеличился – так, объем видеофильма много больше 4 Гб, поэтому FAT32 имеет смысл использовать только на сменных накопителях (флэшках или внешних жестких дисках).

NTFS (New Technology File System). В настоящее время это стандартная файловая система для Windows. Она может управлять файлами с немыслимым до настоящего времени размером в 16 Тб и поддерживает жесткие диски емкостью до 256 Тб. Файловая система позволяет хранить практически неограниченное количество файлов – более 4 млрд. На случай, если будут использоваться файлы больших размеров и жесткие диски большей емкости, функции NTFS можно расширить. Еще одним преимуществом системы является журналирование. С помощьюданной технологии все изменения файлов NTFS записывает вначале в отдельную область на жестком диске. Это позволяет избежать потери данных в процессе их сохранения, например при возникновении перебоя в подаче электроэнергии.

exFAT (Extended File Allocation Table). Была создана для карт памяти, чтобы обеспечить возможность сохранения файлов большего размера. Однако exFAT работает только в Windows с пакетом обновления ServicePack 2 и выше, в Windows Vista с пакетом обновления ServicePack 1 или в Windows 7. Поскольку данную файловую систему поддерживает только Windows, она практически не применяется.

HSF+ (Hierarchical File System+). Стандартная файловая система в операционных системах Mac OS. Как и NTFS, она подходит для работы с очень большими файлами и жесткими дисками. Это журналируемая файловая система. Тому, кто захочет использовать в Windows жесткий диск с HSF+, необходимо установить дополнительную программу, например MacDrive.

Что происходит при перемещении, копировании и удалении. Не все операции, выполняемые в Windows или других операционных системах с файлами в окне Проводника, ведут к физическим трансформациям на жестком диске. Во многих случаях достаточно лишь внести небольшие изменения в главную таблицу файлов. Рисунки ниже наглядно демонстрируют, что реально происходит на жестком диске и в файловой системе в процессе перемещения, копирования и удаления различных объектов (файлов и папок) в Windows.

Рис. 3.9. Операции над файлами

Можно ли изменить файловую систему. Да, но для этого необходимо отформатировать жесткий диск. Какие файловые системы будут предлагаться на выбор, зависит от установлвенной операционной системы или программы, с помощью которой выполняется форматирование. В Windows, например, это FAT32 и NTFS. При использовании жесткого диска исключительно в компьютерах на базе Windows рекомендуется ввиду всех перечисленных достоинств в качестве файловой системы выбрать NTFS. Если в целях обмена данными вы планируете подключать внешний жесткий диск к компьютеру Mac, единственно правильным выбором станет FAT32. При этом возникает следующая проблема: хотя при использовании FAT32 Windows может работать с жесткими дисками любой емкости, однако в процессе форматирования максимальный размер раздела или жесткого диска ограничивается ею до 32 Гб. Выход: с помощью программ для работы с жесткими дисками, такими как Paragon Disk Manager, удастся отформатировать весь жесткий диск в FAT32.

Что такое библиотеки. В Windows 7 появилась дополнительная функция управления файлами – библиотеки. Доступны четыре типа библиотек: Видео, Документы, Изображения и Музыка. Они показывают все файлы соответствующего типа в одной папке, независимо от их местоположения. И хотя файлы физически располагаются не в папках библиотек, с ними можно выполнять любые операции, будь то копирование, переименование и удаление, непосредственно в соответствующей библиотеке. Некоторые программы, среди них Picasa, также используют библиотеки для рационального размещения файлов. Они могут даже самостоятельно выполнять поиск изображений или других файлов на жестком диске.

Как программы получают доступ к данным. Все программы, которые хотят получить доступ к жесткому диску, вначале посылают Windows запрос, содержащий путь размещения файла. Затем операционная система направляет его таблице файловой системы. В этой таблице содержится физический адрес файла, по которому его можно найти на жестком диске. С помощью данного адреса файловая система отыскивает нужный файл и передает операционной системе. Windows соотносит полученный файл с соответствующим запросом и посылает его программе, которая направила запрос. После этого программа открывает файл, например в программе Microsoft Word, предоставляя, таким образом, возможность его редактирования. При каждом последующем изменении файла, например при сохранении или удалении, программа инициирует новый запрос.

Рис. 3.10. Организация доступа к данным

Работаем с файловой системой. Действие файловой системы скрыто от глаз пользователя. И все же он имеет возможность вмешаться в этот процесс – узнать с помощью социальных программ тип файловой системы на жестком диске своего ПК и, если понадобится, преобразовать ее в другую.

Рис. 3.11. Работа с файловой системой

Файловые системы. Типы файловых систем. Операции с файлами. Каталоги. Операции с каталогами.

Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные.

Основные цели использования файла.

Долговременное и надежное хранение информации . Долговременность достигается за счет использования запоминающих устройств, не зависящих от питания, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах.

Совместное использование информации . Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, включающая:

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 различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Широко известны следующие файловые системы:

файловая система операционной системы MS - DOS , в основу которой положена таблица размещения файлов - FAT ( File Allocation Table ).

Таблица содержит сведения о расположении всех файлов (каждый файл делится на кластеры в соответствии с наличием свободного места на диске, кластеры одного файла не обязательно расположены рядом). Файловая система MS-DOS имеет значительные ограничения и недостатки, например, под имя файла отводится 12 байт, работа с жестким диском большого объема приводит к значительной фрагментации файлов;

Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;

программный интерфейс для приложений;

отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

OS /2 , называемая HPFS ( High - Performance File System - быстродействующая файловая система).

Обеспечивает возможность иметь имя файла до 254 символов. Файлы, записанные на диск, имеют минимальную фрагментацию. Может работать с файлами, записанными в MS DOS;

К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит, файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности, в ФС должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, предотвращения гонок, исключение тупиков, согласование копий и т. п.

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

файловая система операционной системы Windows 95

Имеет уровневую структуру, что позволяет поддерживать одновременно несколько файловых систем. Старая файловая система MS-DOS поддерживается непосредственно, а файловые системы разработанные не фирмой Microsoft , поддерживаются с помощью специальных модулей . Имеется возможность использовать длинные (до 254 символов) имена файлов.

файловые системы операционной системы Unix

Они обеспечивают унифицированный способ доступа к файловым системам ввода-вывода.

Права доступа к файлу практически определяют права доступа к системе (владелец файла – пользователь, который его создал).

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы и другие.

Обычные файлы , или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представленных в каком-либо 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 коды символов, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Каталоги - это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.

Специальные файлы - это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.

Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы.

Иерархическая структура файловой системы

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рис. 7.3).

Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 7.3, б), и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов (рис. 7.3, в). Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX - сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом, или корнем ( root ).

При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рис. 7.3, а).

Имена файлов

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен -файлов: простые, составные и относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема «много файлов - одно простое имя». Для одпозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рис. 7.3, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.ехе и /user/anna/main.exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл - одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл - много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/ main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл - много полных имен», так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл - одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Атрибуты файлов

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты - это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

владелец файла;

создатель файла;

пароль для доступа к файлу;

информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

текущий размер файла;

максимальный размер 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 в файле;

указатель на ключевое поле в записи;

длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять - только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рис. 7.6, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R - только для чтения, А - архивный, Н - скрытый, S - системный.

Рис. 7.6. Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта), б - структура записи каталога ОС UNIX

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 7.6, б).

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.

Операции над файлами

Большинство современных ОС рассматривают файл как неструктурированную последовательность байт переменной длины. В стандарте POSIX над файлом определены следующие операции:

int open ( char * fname , int flags , mode _ t mode )

Эта операция ``открывает"" файл, устанавливая соединение между программойи файлом. При этом программа получает дескриптор файла - целоечисло, идентифицирующее данное соединение. Фактически это индекс в системнойтаблице открытых файлов для данной задачи. Все остальные операции используютэтот индекс для ссылки на файл.

Параметр char * fname задает имя файла.int flags - это битовая маска, определяющая режим открытия файла.Файл может быть открыт только на чтение, только на запись и начтение и запись; кроме того, можно открывать существующий файл,а можно пытаться создать новый файл нулевой длины.Необязательный третий параметр mode используется толькопри создании файла и задает атрибуты этого файла.

off _ t lseek ( int handle , off _ t offset , int whence )

Эта операция перемещает указатель чтения/записи в файле.Параметр offset задает количество байт, на которое нужно сместитьуказатель, а параметр whence - откуда отсчитывать смещение.Предполагается, что смещение можно отсчитывать от начала файла(SEEK_SET), от его конца (SEEK_END) и от текущегоположения указателя (SEEK_CUR). Операция возвращает положениеуказателя, отсчитываемое от начала файла. Таким образом, вызовlseek(handle, 0, SEEK_CUR) возвратит текущее положение указателя,не передвигая его.

int read(int handle, char * where, size_t how_much)

Операция чтения из файла. Указатель where задает буфер,куда нужно поместитьпрочитанные данные; третий параметр указывает, сколько данных надо считать.Система считывает требуемое число байт из файла, начиная с указателячтения/записи в этом файле, и перемещает указатель к концу считаннойпоследовательности. Если файл кончился раньше, считывается столько данных,сколько оставалось до его конца. Операция возвращает количествосчитанных байт. Если файл открывался только для записи, вызов readвозвратит ошибку.

int write(int handle, char * what, size_t how_much)

Операция записи в файл. Указатель what задает начало буфера данных;третий параметр указывает, сколько данных надо записать.Система записывает требуемое число байт в файл, начиная с указателячтения/записи в этом файле, заменяя хранившиеся на в этом месте данные,и перемещает указатель к концу записанного блока. Если файл кончился раньше,его длина увеличивается. Операция возвращает количество записанных байт.

Если файл открывался только для чтения, вызов write возвратит ошибку.

int ioctl(int handle, int cmd, ...) ; int fcntl ( int handle , int cmd , ...)

Дополнительные операции над файлом. Первоначально, по-видимому,предполагалось, что ioctl - это операции над самим файлом,а fcntl - это операции над дескриптором открытого файла,но потом историческое развитие несколько перемешало функции этих системныхвызовов. Стандарт POSIX определяет некоторые операции как наддескриптором, например дублирование (в результате этой операции мы получаемдва дескриптора, связанных с одним и тем же файлом), так и над самим файлом,например, операцию truncate - обрезать файл до заданной длины.В большинстве версий Unix операцию truncate можноиспользовать и для вырезания данных из середины файла. При считывании данныхиз такой вырезанной области считываются нули, а сама эта область незанимает физического места на диске.

Важной операцией является блокировка участков файла.Стандарт POSIX предлагает для этой целибиблиотечную функцию, но в системах семейства Unix этафункция реализована через вызов fcntl.

Большинство реализаций стандарта POSIX предлагает и своидополнительные операции. Так, в Unix SVR 4 этими операциямиможно устанавливать синхронную или отложенную запись и т.д.

caddr_t mmap(caddr_t addr, size_t len, int prot, int flags, int handle, off_t offset)

Отображение участка файла в виртуальное адресное пространство процесса.Параметр prot задает права доступа к отображенному участку:на чтение, запись и исполнение. Отображение может происходитьна заданный виртуальный адрес, или же система может выбирать адрес дляотображения сама.

Еще две операции выполняются уже не над файлом, а над его именем:это операции переименования и удаления файла. В некоторых системах,например в системах семейства Unix , файл может иметьнесколько имен, и существует только системный вызов для удаления имени.Файл удаляется при удалении последнего имени.

Видно, что набор операций над файлом в этом стандарте очень похожна набор операций над внешним устройством. И то и другое рассматриваетсякак неструктурированный поток байт. Для полноты картины следует сказать,что основное средство межпроцессной коммуникации в системах семействаUnix (труба ) также представляет собойнеструктурированный поток данных. Идея о том, что большинство актов передачиданных может быть сведено к байтовому потоку, довольно стара, ноUnix был одной из первых систем, где эта идея была приближена клогическому завершению.

Примерно та же модель работы с файлами принята в CP / M ,а набор файловых системных вызовов MS DOS фактическископирован с вызовов Unix v 7 . В свою очередь, OS /2 и Windows NT унаследовали принципы работы с файламинепосредственно от MS DOS .

Напротив, в системах, не имеющих Unix в родословной,может использоваться несколько иная трактовка понятия файла.Чаще всего файл трактуется как набор записей. Обычно система поддерживаетзаписи как постоянной длины, так и переменной. Например, текстовый файлинтерпретируется как файл с записями переменной длины, а каждой строке текстасоответствует одна запись. Такова модель работы с файлами в VMS и в ОС линии OS /360 -MVS фирмы IBM.

Файловая система позволяет систематизировать программы и данные и организовать упорядоченное управление этими объектами.

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе ОС Unix. В ОС Unix подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве.

Файловая система — это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т. д.

Файловая система – это система управления данными.

Система управления данными – система, пользователи которой освобождаются от большинства операций по физическому манипулированию файлами и могут сосредоточить внимание главным образом на логических свойствах данных.

Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система (назначение):

скрывает картину реального расположения информации во внешней памяти;
обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации компьютера (логический уровень работы с файлами);
обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Файловая структура

Вся совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называется файловой структурой. Развитые операционные системы имеют иерархическую — многоуровневую файловую структуру, организованную в виде дерева.

Используется древовидная структура каталогов – дерево каталогов . Заимствована у Unix. Иерархическая структура – структура системы, части (компоненты) которой связаны отношениями включения или подчинения.

Иерархическая структура изображается ориентированным деревом, в котором вершины соответствуют компонентам, а дуги – связям.

дерево каталогов диска G

Ориентированное дерево – это граф с выделенной вершиной (корнем), в котором между корнем и любой вершиной существует единственный путь. При этом возможны два варианта ориентации: либо все пути ориентированы от корня к листьям, либо все пути ориентированы от листьев к корню.

Деревья используются при описании и проектировании иерархических структур.

Корень – начальная позиция, листья – заключительная позиция.

Разделы

Любой жесткий или магнитооптический диск в процессе форматирования можно разделить на несколько частей и работать с ними как с отдельными (самостоятельными) дисками. Эти части называются разделами или логическими дисками . Разбиение диска на несколько логических дисков может быть необходимо из-за того, что ОС не могут работать с дисками, размер которых превышает определенную величину. Очень удобно хранить данные и пользовательские программы отдельно от системных программ (ОС), ведь ОС может «слететь с компьютера».

Раздел – область диска. Под логическим диском(разделом) в компьютере понимается любой носитель информации, с которым операционная система работает как с единым целым объектом.

Имя диска – обозначение логического диска; запись в корневом каталоге.

Логические диски (разделы) обозначаются латинскими буквами A, B, C, D, E, … (32 буквы от A до Z).

Буквы A, B зарезервированы для обозначения дискет.

С – жесткий диск, обычно с которого производится загрузка ОС.

Остальные буквы – логические диски, компакт-диски и т.д. Максимальное количество логических дисков для ОС Windows – бесконечное.

В таблице разделов указывается расположение начала и конца этого раздела и число секторов в этом разделе (место и размер).

Файловая структура логического диска

Чтобы обратиться к информации на диске, находящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора (№ поверхности + № дорожки + № сектора), общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера

Элементы файловой структуры:

стартовый сектор (начальной загрузки, Boot-сектор);

таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);

корневой каталог (Root Directory);

область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).

Boot -сектор

Boot -сектор – первый (начальный) сектор диска. Находится на 0- стороне, 0-дорожке.

Boot-сектор содержит служебную информацию:

размер кластера диска (кластер – блок, объединяющий в группу несколько секторов для сокращения размера FAT-таблицы);

местоположение FAT-таблицы (в вoot-секторе находится указатель на то, где расположена FAT-таблица);

размер FAT-таблицы;

количество FAT-таблиц (всегда есть как минимум 2 копии таблицы для обеспечения надежности и безопасности, т.к. разрушение FAT ведет к потере информации и трудно восстанавливается);

адрес начала корневой директории и ее максимальный размер.

В вoot-секторе находится блок начальной загрузки (загрузчик) – загрузочная запись Boot Record.

Загрузчик – обслуживающая программа, которая помещает выполняемую программу в оперативную память и приводит ее в состояние готовности к исполнению.

FAT (таблица размещения файлов)

FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. В ней определено, какие участки диска относятся к каждому файлу.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров.

FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных.

Структура таблицы размещения файлов:

FAT состоит из элементов длиной 16 /32/64 бита. Всего в таблице может быть до 65520 таких элементов, каждый из них (кроме первых двух) соответствует кластеру диска. Кластер является той единицей, в которой распределяется пространство в области данных на диске для файлов и каталогов. Первые два элемента таблицы (с номерами 0 и 1) зарезервированы, а каждый из остальных элементов таблицы описывает состояние кластера диска с тем же номером. Элемент может указывать, что кластер свободен, что кластер дефектный, что кластер принадлежит файлу и является последним кластером в файле. Если кластер принадлежит файлу и не является его последним кластером, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера в этом файле.

FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения.

Для разных ОС необходимы разные версии FAT

Windows 95 FAT 16, FAT 32

Windows NT (XP) NTFS

Novell Netware TurboFAT

UNIX NFS,ReiserFS

Логическая структура носителя информации

Одной из компонент ОС является файловая система – основное хранилище системной и пользовательской информации. Все современные ОС работают с одной или несколькими файловыми системами, например, FAT (File Allocation Table), NTFS (NT File System), HPFS (High Performance File System), NFS (Network File System), AFS (Andrew File System), Internet File System.

Файловая система – это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися во внешней памяти, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

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 используется обычно как при загрузке ОС после включения компьютера, так и в процессе работы. Файловая система выполняет следующие основные функции:

Определяет возможные способы организации файлов и файловой структуры на носителе;

Реализует методы доступа к содержимому файлов и предоставляет средства работы с файлами и файловой структурой. При этом доступ к данным может быть организован файловой системой как по именам, так и по адресам (номер сектора, поверхности и дорожки носителя);

Отслеживает свободное пространство на носителе.

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, жестком диске или блоке флэш-памяти) он записан. Все, 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).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров (участков памяти) размером от 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные. Чтобы ясно представлять, как же хранятся данные на дисках, и как ОС обеспечивает доступ к ним необходимо представлять, хотя бы в общем виде логическую структуру диска.

3.1.5 Логическая структура диска

Для того чтобы компьютер мог хранить, читать и записывать информацию жесткий диск предварительно должен быть размечен. На нем с помощью соответствующих программ создаются разделы – это и называется "разбить жесткий диск". Без этой разметки на жесткий диск не удастся установить операционную систему (хотя Windows XP и 2000 могут устанавливаться на неразбитый диск, но они такую разметку проводят сами в процессе установки).

Жесткий диск можно разбить на несколько разделов, каждый из которых будет использоваться автономно. Для чего это надо? Один диск может содержать несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах. Внутренняя структура раздела, выделенного какой-либо ОС, полностью определяется этой операционной системой.

Кроме того, существуют и другие причины разбиения диска на разделы, например:

Возможность использования под управлением MS DOS дисков с емкостью большей, чем
32 Мб;

В случае повреждения диска, пропадает только та информация, которая находилась на этом диске;

Реорганизация и выгрузка диска маленького размера проще и быстрее, чем большого;

Каждому пользователю можно выделить свой логический диск.

Операция подготовки диска к работе называется форматированием , или инициализацией . Всё доступное дисковое пространства разбивается на стороны, дорожки и сектора, причем дорожки и стороны нумеруются с нуля, а сектора – с единицы. Совокупность дорожек, находящихся на одинаковом удалении от оси диска или пакета дисков, называется цилиндром. Таким образом физический адрес сектора определяется следующими координатами: номер дорожки (цилиндра – С), номер стороны диска (головки – H), номера сектора – R, т.е. CHR.

В самом первом секторе жесткого диска (C=0, H=0, R=1) содержится главная загрузочная запись – Master Boot Record . Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть. Главная загрузочная запись является программой – внесистемным загрузчиком.

В конце первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска – Partition Table . Эта таблица содержит четыре строки, описывающих максимально четыре раздела. Каждая строка в таблице описывает один раздел:

1) активный раздел или нет;

2) номер сектора, соответствующего началу раздела;

3) номер сектора, соответствующего концу раздела;

4) размер раздела в секторах;

5) код операционной системы, т.е. какой ОС принадлежит данный раздел.

Раздел называется активным, если он содержит программу загрузки операционной системы. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 – не активен, 128 (80H) – активен). Он служит для определения, является ли раздел системным (загрузочным), и для необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. Небольшие программы, называемые менеджерами загрузки (Boot Manager), могут располагаться в первых секторах диска. Они интерактивно запрашивают пользователя, с какого раздела производить загрузку и соответственно корректируют флаги активности разделов. Поскольку в Partition Table четыре строки, то на диске может быть до четырех различных ОС, следовательно, диск может содержать несколько первичных разделов, принадлежащих разным операционным системам.

Пример логической структуры жесткого диска, состоящего из трех разделов, два из которых принадлежат DOS, а один принадлежит UNIX, приведен на рисунке 3.2а.

Каждый активный раздел имеет свою загрузочную запись – программу, которая осуществляет загрузку данной ОС.

На практике диск разбивается чаще всего на два раздела. Размеры разделов, объявление их активными или нет, устанавливаются пользователем в процессе подготовки жесткого диска к работе. Делается это с помощью специальных программ. В DOS эта программа называется FDISK, в версиях Windows-XX – Diskadministrator.

В DOS первичный раздел – Primary Partition , это тот раздел, который содержит загрузчик операционной системы и саму ОС. Таким образом, первичный раздел является активным разделом, используется как логический диск с именем C:.

Операционная система WINDOWS (а именно WINDOWS 2000) изменила терминологию: активный раздел называется системным, а загрузочным называется логический диск, который содержит системные файлы WINDOWS. Загрузочный логический диск может совпадать с системным разделом, но может находиться в другом разделе того же жесткого диска или на другом жестком диске.

Расширенный раздел Extended Partition может разбиваться на несколько логических дисков с именами от D: до Z:.

На рисунке 3.2б представлена логическая структура жесткого диска, в котором всего два раздела и четыре логических диска.

Файлы и файловая система

Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов.

Файл - это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти.

Имя файла. Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и так далее). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании (табл. 4.2).

В различных операционных системах существуют различные форматы имен файлов. В операционной системе MS-DOS собственно имя файла должно содержать не более 8 букв латинского алфавита, цифр и некоторых специальных знаков, а расширение состоит из трех латинских букв, например: proba.txt

В операционной системе Windows имя файла может иметь длину до 255 символов, причем можно использовать русский алфавит, например: Единицы измерения информации.doc

Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог - оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск - из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система , когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов (табл. 4.3). Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система , которая имеет древовидную структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое представляет собой иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов.

Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Например, в корневом каталоге могут находиться два вложенных каталога 1-го уровня (Каталог_1, Каталог_2) и один файл (Файл_1). В свою очередь, в каталоге 1-го уровня (Каталог_1) находятся два вложенных каталога второго уровня (Каталог_1.1 и Каталог_1.2) и один файл (Файл_1.1) - рис. 4.21.

Файловая система - это система хранения файлов и организации каталогов.

Рассмотрим иерархическую файловую систему на конкретном примере. Каждый диск имеет логическое имя (А:, В: - гибкие диски, С:, D:, Е: и так далее - жесткие и лазерные диски).

Пусть в корневом каталоге диска С: имеются два каталога 1-го уровня (GAMES, TEXT), а в каталоге GAMES один каталог 2-го уровня (CHESS). При этом в каталоге TEXT имеется файл proba.txt, а в каталоге CHESS - файл chess.exe (рис. 4.22).

Путь к файлу. Как найти имеющиеся файлы (chess.exe, proba.txt) в данной иерархической файловой системе? Для этого необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель "\" логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых содержится нужный файл. Пути к вышеперечисленным файлам можно записать следующим образом:

Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла .

Пример полного имени файла:

С \GAMES\CHESS\chess.exe

Представление файловой системы с помощью графического интерфейса. Иерархическая файловая система MS-DOS, содержащая каталоги и файлы, представлена в операционной системе Windows с помощью графического интерфейса в форме иерархической системы папок и документов. Папка в Windows является аналогом каталога MS-DOS

Однако иерархическая структура этих систем несколько различается. В иерархической файловой системе MS-DOS вершиной иерархии объектов является корневой каталог диска, который можно сравнить со стволом дерева, на котором растут ветки (подкаталоги), а на ветках располагаются листья (файлы).

В Windows на вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол . Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети) - рис. 4.23.

2. Выбрав один из пунктов меню Вид (Крупные значки, Мелкие значки, Список, Таблица) , можно настроить форму представления содержимого папки.

Папка Сетевое окружение содержит папки всех компьютеров, подключенных в данный момент к локальной сети.

Папка Корзина временно содержит все удаленные папки и файлы. При необходимости удаленные и хранящиеся в Корзине папки и документы можно восстановить.

3. Для окончательного удаления файлов необходимо ввести команду [Файл-Очистить корзину].

Операции над файлами. В процессе работы на компьютере наиболее часто над файлами производятся следующие операции:

копирование (копия файла помещается в другой каталог);
перемещение (сам файл перемещается в другой каталог);
удаление (запись о файле удаляется из каталога);
переименование (изменяется имя файла).

Графический интерфейс Windows позволяет проводить операции над файлами с помощью мыши с использованием метода Drag&Drop (перетащи и оставь). Существуют также специализированные приложения для работы с файлами, так называемые файловые менеджеры : Norton Commander, Windows Commander, Проводник и др.

В некоторых случаях возникает необходимость работать с интерфейсом командной строки. В Windows предусмотрен режим работы с интерфейсом командной строки MS-DOS.

Интерфейс командной строки

1. Ввести команду [Программы-Сеанс MS-DOS]. Появится окно приложения Сеанс MS-DOS .

В ответ на приглашение системы можно вводить команды MS-DOS с клавиатуры, в том числе:

команды работы с файлами (copy, del, rename и др.);
команды работы с каталогами (dir, mkdir, chdir и др.);
команды работы с дисками (format, defrag и др.).

2. Существуют десятки команд MS-DOS, при этом каждая команда имеет свой формат и параметры, запомнить которые достаточно трудно. Для того чтобы получить справочную информацию по команде, необходимо после имени команды ввести ключ /?.

Например, для получения справки по команде format в ответ на приглашение системы необходимо ввести: С:\WINDOWS>format/?