Файловая система – это, с одной стороны, система управления данными , размещенными на внешнем запоминающем устройстве. Для организации хранения данных на внешнем устройстве, доступа к ним при выполнении операций ОС строит специальные таблицы, справочники. Дисковое пространство может быть организовано по-разному. Поэтому, с другой стороны, файловая система – это сами данные и служебная информация , используемая для управления этими данными, размещенными на одном устройстве, организации их ввода и хранения, выполнения операций над ними (одно устройство – одна файловая система). Способ организации хранения данных на внешних устройствах зависит от используемых в ОС файловых систем.
В настоящее время в различных операционных системах Microsoft используются разные типы файловых систем . Каждая из них имеет свои особенности, и, к сожалению, они могут не распознаваться «неродными» ОС.
Старая файловая система FAT16 распознается всеми ОС, начиная с MS-DOS, она поддерживается Windows , Windows NT, OS/2 и Unix, но она очень неэффективна, много места на диске тратится впустую. FAT32 может вызвать проблемы при установке на ПК нескольких ОС. В приведенной ниже таблице показаны возможности ОС для поддержки различных файловых систем.
Файловая система FAT разработана для небольших дисков и простых структур каталогов. Основа ее организации – таблица FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов). Эта система эффективна только на логических дисках, размер которых не превышает 256 Мб. Место на диске при размещении данных с использованием FAT может выделяться только целыми кластерами , поэтому дисковое пространство может расходоваться впустую, если размещаемый файл не заполняет последний выделенный ему кластер целиком (например, если размер кластера равен 32 Кб, то при размещении на диске файла размером в 10 Кб не будет использоваться 22 Кб выделенной этому файлу дисковой памяти).
При сбоях (например, при внезапном отключении питания) информация о размещении цепочки кластеров, занятых файлом, может быть утеряна. Информация, находящаяся в таблице FAT, может быть испорчена. Это может привести к появлению на диске «мусора» – недоступных для использования кластеров.
Для восстановления файловой системы в состав ОС включаются специальные утилиты, которые сканируют (проверяют) диск и ищут на нем физические повреждения и ошибки в файловой системе.
Общее ограничение размера диска при использовании FAT– 2 Гб. При использовании FAT ограничен размер корневого каталога (512 файлов или папок, а при использовании длинных имен – еще меньше).
Таблица FAT хранится в начале диска. Для повышения надежности работы создается ее копия.
Файловая система FAT32 обеспечивает преимущества по сравнению с реализацией FAT: поддерживаются диски размером до 2 Тб; более эффективно используется дисковое пространство (используются кластеры размером в 4, 8, 16 и 32 Кб); снимается ограничение на размер корневого каталога (он хранится, как и все остальные папки и файлы, в виде цепочки кластеров); обеспечивается большая надежность и более быстрая загрузка программ.
Основной целью при реализации файловой системы NTFS (NT File System) было обеспечение сочетания высокой производительности, надежности и эффективности. В этой системе реализовано скоростное выполнение стандартных операций над файлами (поиск, чтение, запись). NTFS поддерживает контроль доступа к данным и привилегии владельцев. В этой системе можно назначить права (полномочия) на доступ к устройствам, папкам и отдельным файлам.
Файловая система NTFS обладает следующими дополнительными возможностями: ведение журнала дисковой активности (журнала транзакций) позволяет быстро выполнять восстановление дисков после сбоев (каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл, рассматривается как транзакция, т.е. неделимая операция, которая полностью должна быть завершена, а в случае сбоя система выполняет откат на ее начало); гибкие опции форматирования обеспечивают более эффективное использование дискового пространства; опции сжатия позволяют выполнять сжатие отдельных файлов и каталогов (при размерах кластера до 4 Кб); тома могут расширяться и использовать дисковое пространство, не выделенное другим разделам; чередующиеся тома дают возможность ускорить доступ к данным; зеркальные тома и тома RAID-5 обеспечивают отказоустойчивое хранение данных.
Файловая система NTFS 5 предоставляет новые возможности: Windows поддерживает распределенную файловую систему (DFS – Distributed File System), позволяющую объединить в единый логический том все сетевые ресурсы, и файловую систему с шифрованием (EFS – Encrypting File System), являющуюся надстройкой над NTFS, которая дополняет ее возможностями шифрования данных.
В ОС Windows поддерживается представление о файле как о не структурированной последовательности байтов.
Прикладная программа имеет возможность считывать эти байты в произвольном порядке. Обычно хранение файла организованно на устройстве прямого доступа в виде набора блоков фиксированного размера. Основная задача подсистемы управления файлами - связать символьное имя файла с блоками диска, которые содержат данные файла.
Именование файлов
Для создания файла и присвоения ему имени в ОС Windows используется Win32-функция CreateFile. Максимальная длина полного имени файла при создании файла равна MAX_PATH со значением 260, но система позволяет использовать имена файлов длиной до 32000 символов в формате Unicode.
В система заложена возможность различать большие и маленькие буквы в названии файла. Прикладные программы, как правило, распознают тип файла по его имени. Например, файлы с расширением.exe - исполняемые. Связь имён с обрабатывающими программами реализована в реестре.
Атрибуты файлов
В ОС Windows считается, что файл - это не просто последовательность байтов, а совокупность атрибутов, и данные файла являются лишь одним из атрибутов - так называемый неименованный поток данных.
Атрибуты хранятся в виде пары: <наименование атрибута, значение атрибута> в записи о файле в главной файловой таблице MFT (Master File Table - "главная файловая таблица").
Перечень атрибутов файла NTFS
- Стандартная информация - флаговые биты (только чтение, архивный), временные штампы.
- Имя файла. Имя файла хранится в кодировке Unicode.
- Описатель защиты (управление доступом к файлу).
- Данные. Неименованный и именованный потоки данных.
- Идентификатор объекта - 64 - разрядный идентификатор файла, уникальный для данного тома. Файл может быть открыт не только по имени, но и по этому идентификатору.
- Информация о томе.
- Информация об индексированнии, используемая для каталогов.
- Данные EFS (Encryption File System), используемые для шифрования.
Организация файлов и доступ к ним. Понятие об асинхронном вводе-выводе
Файловая подсистема ОС Windows имеет дело с файлами, байты которых могут быть считаны в любом порядке, поскольку номер блока озадачно определяется текущей позицией внутри файла. Такие файлы называются файлами прямого доступа.
Важным достижением разработчиков ОС Windows является предоставление пользователю возможности осуществлять асинхронные операции ввода-вывода. При этом процесс, инициирующий операцию ввода-вывода, не ждёт её окончания, а продолжает вычисления.
Директории. Логическая структура файлового архива
Файловая система на диске представляет собой иерархическую структуру, которая организована за счёт наличия специальных файлов - каталогов (директорий), имеющих один и тот же внутренний табличный формат (имя файлов, тип файла - обычный или каталог, атрибуты).
В полном имени файла ОС Windows поддерживает обозначения "." - для текущей директории, ".." - для корневого каталога.
Разделы диска. Операция монтирования
В ОС Windows принято разбивать физические диски на логические (это низкоуровневая операция), иногда называемые разделами (partition). Иногда, наоборот, объединяют несколько физических дисков в один логический. Имена логических дисков хранятся в каталоге "\?" пространства имён объектов. Указав букву диска, прикладная программа получает доступ к егэ файловой системе.
Windows позволяет пользователю создать точку монтирования - связать пустой каталог с каталогом логического диска. По успешном завершении операции содержимое этих каталогов будет соответствовать друг другу.
Файловая система NTFS
В ОС Windows файловая система интегрирована в систему ввода-вывода.
Кластеры
Обычно диски разбиты на блоки (секторы) размером - 512 б. Но удобнее оперировать блоками более крупного размера - кластера (cluster). Размер кластера равен размеру сектора, умноженному на кластерный множитель (claster factor), и может быть установлен во время операции форматирования диска. По умолчанию это значение равно 4 Кб.
NTFS поддерживает размеры 512, 1024, 2048, 4096, 8196, 16 КБ, 32 КБ, 64 К. Оптимальным является компромиссный размер блока, лежащий в диапазоне от 1-го до 8 Кб. Сжатие томов NTFS не поддерживается для размеров кластеров более 4096 Б. Система различает кластеры диска (volume claster) и кластеры диска, принадлежащие файлу (logical claster).
Компьютер, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С: и т.д. Стандартно принято, что А: и В: – это накопители на гибких магнитных дисках, а диски С:, D: и т.д. – жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски.
Электронные диски представляют собой часть оперативной памяти, которая для пользователя выглядит как ВЗУ. Скорость обмена информации с электронным диском значительно выше, чем с электромеханическим внешним запоминающем устройством. При работе электронных дисков не происходит износ электромеханических деталей. Однако после выключения питания информация на электронном диске не сохраняется.
Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических дисков, которые для пользователя будут выглядеть на экране так же, как и физически существующие диски. Логический диск – это часть обычного жесткого диска, имеющая собственное имя.
Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка операционной системы часто осуществляется с гибкого диска. Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными.
Для того чтобы на новый магнитный диск можно было записать информацию, он должен быть предварительно отформатирован. Форматирование – это подготовка диска для записи информации.
Во время форматирования на диск записывается служебная информация (делается разметка), которая затем используется для записи и чтения информации, коррекции скорости вращения диска, а также выделяется системная область, которая состоит из трех частей:
ü таблицы размещения файлов,
ü корневого каталога.
Загрузочный сектор (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Он содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.
На жестком диске имеется область, которая называется главной загрузочной записью MBR (Master Boot Record) или главным загрузочным сектором. В MBR указывается, с какого логического диска должна производиться загрузка операционной системы.
Таблица размещения файлов (File Allocation Table – сокращенно FAT) располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность сохранения этой очень важной таблицы.
Корневой каталог (Root Directory) всегда находится за копией FAT. В корневом каталоге содержится перечень файлов и директорий, находящихся на диске. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные.
Файловая система – это часть операционной системы, обеспечивающая организацию и хранения файлов, а также выполнение операций над файлами.
Файловая система определяет то, как будут храниться данные на диске, и какие принципы доступа к хранимой информации могут быть использованы при её считывании.
Мы привыкли воспринимать информацию на нашем ПК в виде конкретных файлов, аккуратно (или не очень:)) разложенных по папкам. А, между тем, Ваш компьютер работает с данными совсем по иному принципу. На жёстком диске для него не существует цельных файлов. Он "видит" лишь чётко адресованные секторы с байт-кодом. Причём код одного файла не всегда хранится в соседних секторах (так называемая фрагментация данных).
Как же компьютер "понимает", где ему, например, искать наш текстовый документ, который лежит, скажем, на Рабочем столе? За это, оказывается, отвечает файловая система жёсткого диска. И сегодня мы с Вами узнаем, какие бывают файловые системы и каковы их особенности.
Что такое файловая система
Чтобы понять, что такое файловая система, лучше всего воспользоваться методом аналогий. Представим, что жёсткий диск - это некий ящик, в котором хранятся разноцветные кубики. Эти кубики - части разных файлов, хранящихся в ограниченных по размеру ячейках, называемых кластерами . Они могут быть просто навалены кучей или иметь определённый порядок размещения. Так вот, если эти условные кубики хранятся не хаотичной грудой, а в соответствии с какой-то логикой, мы и можем говорить о наличии некоего аналога файловой системы.
Файловая система определяет порядок хранения данных на диске и принципы доступа к ним, однако, во многом тип файловой системы зависит и от типа носителя. Например, очевидно, что для магнитной ленты, которая поддерживает запись только последовательных блоков данных, подойдёт лишь одноуровневая файловая система с последовательным доступом к кластерам с информацией, а для современного SSD-диска - любая многоуровневая с произвольным доступом:
По принципу последовательности хранения блоков данных файловые системы, как мы уже увидели, можно разделить на те, которые хранят кластеры с фрагментами файла последовательно или произвольно . Что касается уровней, то по ним ФС можно разделить на одноуровневые и древовидные (многоуровневые).
В первом случае все файлы отображаются в виде единого плоского списка, а во втором - в виде иерархического. Уровень вложений при этом, как правило, неограничен, а ветвление идёт либо только от одного ("root" в UNIX), либо от нескольких корневых каталогов (логические диски в Windows):
К особенностям файловых систем можно также отнести наличие различных механизмов, защищающих структуру данных от сбоев. Одним из наиболее современных механизмов обеспечения отказоустойчивости ФС является журналирование . Оно позволяет записывать в специальные служебные файлы (их называют "журналами" или "логами") все действия, производимые с файлами.
Журналирование может быть полным , когда для каждой операции создаётся бэкап не только состояния кластеров, но и всех записанных данных. Такое журналирование часто применяют для различных баз данных, но оно существенно замедляет работу системы и увеличивает размер логов (фактически логи хранят полный бэкап всей файловой системы со всеми её данными).
Гораздо же более часто журналируются только логические операции и (опционально) состояние кластеров файловой системы. То есть, в журнал записывается только то, что, скажем, файл с именем "file.txt" размером 52 КБ был записан в такие-то кластеры. Содержимое же самого файла в логе никак не значится. Такой подход позволяет избежать дублирования данных, ускоряет процессы работы с файлами и уменьшает в разы размеры самого журнала. Единственный недостаток при таком способе журналирования - при сбое могут быть потеряны записываемые данные (поскольку их копии нет), но само состояние файловой системы останется работоспособным.
Форматирование
Поскольку мы говорим о файловых системах в контексте современных компьютеров с их жёсткими или SSD-дисками, то большее внимание мы уделим именно многоуровневым ФС с произвольным доступом к кластерам. Наиболее популярными в компьютерном мире сегодня являются: FAT32, NTFS, exFAT, ext3/ext4, ReiserFS и HFS+.
Изменение файловой системы на диске достигается его форматированием . Оно предусматривает создание на уровне жёсткого диска в начальном его секторе специальных служебных меток, определяющих принципы доступа к данным. При этом кластеры с имеющимися данными при форматировании, как правило, очищаются или помечаются как пустые и доступные для перезаписи. Исключением являются частные случаи конвертации файловой системы (например, из FAT32 в NTFS), при которой вся структура данных сохраняется.
Для форматирования можно воспользоваться штатными средствами операционной системы (например, консольными командами Linux или контекстным меню диска в Windows), функциями, доступными на подготовительном этапе установки ОС, или же специальными программами. Единственное, что следует учесть при программном решении, так это то, что Ваша операционная система может не поддерживать выбранную Вами файловую систему без установки дополнительных драйверов (например, ext3/4 в Windows):
Существует также понятие низкоуровневого форматирования . Изначально оно подразумевало очистку диска с записью в его кластеры специальной служебной информации для выравнивания считывающих головок. Для современных жёстких дисков такой функции на программном уровне уже не предусмотрено (сделать это можно лишь при помощи спецоборудования), однако понятие низкоуровневого форматирования сохранилось, правда немного трансформировалось.
Осуществляется оно сейчас при помощи специального софта (HDD Low Level Format Tool для Windows) или команд (DD для Linux). При его применении все кластеры жёсткого диска перезаписываются нулями и полностью уничтожается любая разметка. После этого файловая система фактически исчезает и в Windows отображается как RAW . Чтобы получить доступ к диску после такого форматирования, нужно отформатировать его в одной из доступных традиционных файловых систем более высокого уровня.
Особенности файловых систем
Ну а теперь рассмотрим некоторые особенности самых распространённых файловых систем.
FAT32
Одна из самых старых файловых систем для дисков, которая ещё широко используется в наши дни - FAT32 (сокр. англ. "File Allocation Table" - "таблица размещения файлов"). В силу своей распространённости, она поддерживается максимальным числом всевозможного оборудования, начиная с автомагнитол, кончая мощными современными компьютерами. Большинство флеш-накопителей, продаваемых сегодня, тоже отформатированы в FAT32.
Впервые данная ФС появилась в Windows 95 OSR2 в 1996 году, став логическим развитием ещё более ранней FAT16 (1983 год). Одной из основных причин перехода на новую файловую систему стало появление ёмких (по тем временам) жёстких дисков объёмом более 2 ГиБ (гибибайт - более точный вариант гигабайта (109 ) - 230 байт) (максимально возможный размер раздела в FAT16). FAT32 позволила использовать до 268 435 445 кластеров максимум по 32 КБ, что эквивалентно 8 ТиБ на том. Однако, если размер кластера будет стандартным (512 Б), то максимальный размер тома будет лишь чуть более 127 ГБ.
Основой FAT32, как следует из её названия, является файловая таблица. Она хранит в себе записи об имеющихся файлах, а также о времени их создания и последнего доступа к ним. Журналирование отсутствует, поэтому процессы чтения/записи в этой файловой системе происходят быстрее, нежели, например, в NTFS, которая ведёт более полные логи. Именно по причине хорошего быстродействия FAT32 всё ещё широко используется в наши дни.
Главным же недостатком FAT32 на данный момент является ограничение на максимальный размер файла - 4 ГиБ. Файлы, превышающие данный порог, должны быть разбиты на части, что в свою очередь, затрудняет доступ к ним. Кроме того, FAT32 имеет ещё некоторые ограничения в среде Windows. Например, штатными средствами Вы не сможете создать разделы более 32 ГБ. Поэтому флешки на 64 ГБ и более придётся форматировать либо при помощи специального софта, либо на Linux.
Однако, и в этом случае, хоть доступ к носителю и сохранится, но он будет затруднён "тормозами" как при чтении, так и при записи данных. Поэтому при использовании накопителей объёмом более 32 ГБ лучше отформатировать их в иных файловых системах, вроде exFAT или NTFS.
NTFS
Если линейка Windows 95/98 продолжала традиции уже на тот момент устаревающей операционной системы DOS, то новая линейка NT изначально была направлена на инновации. Поэтому с появлением Windows NT 3.1 в 1993 году специально под неё была создана новая файловая система NTFS (сокр. англ. "New Technology File System" - "файловая система новой технологии").
Эта файловая система до сих пор является основной для всех современных версий Windows, поскольку обеспечивает неплохую скорость работы, поддерживает накопители объёмом до 16 ЭиБ (эксбибайт - 260 ) (при максимальном размере кластера в 64 КБ) без ограничений по размерам файлов и имеет в своём арсенале довольно неплохой функционал. Например, NTFS является журналируемой файловой системой, а также поддерживает распределение ролей пользователей для доступа к отдельным данным, чего не было в той же FAT32.
Как и в FAT32, основой NTFS является таблица, но она являет собой более совершенную базу данных и называется MFT (сокр. англ. "Master File Table" - "главная файловая таблица"). Строки в этой таблице соответствуют файлам, хранящимся на конкретном разделе, а столбцы содержат атрибуты этих файлов (дата создания, размер, права доступа и т.п.).
Кроме того, для повышения отказоустойчивости в NTFS ведётся журнал USN (сокр. англ. "Update Sequence Number" - досл. "номер порядка обновления"). В этот журнал, аналогично таблице FAT32, записываются данные об изменениях того или иного файла. Однако, если в таблице FAT32 записывалось только время последнего доступа к данным, что не давало никаких особых практических выгод, то в USN может сохранятся предыдущее состояние файловой системы, что позволяет восстанавливать его в случае сбоев.
Ещё одной особенностью NTFS является поддержка альтернативных потоков данных (англ. "Alternate Data Streams" - ADS). Изначально они были задуманы для разграничения выполнения различных процессов. Потом (в Windows 2000) использовались для хранения некоторых атрибутов файлов (имя автора, иконка и т.п.), аналогично тому, как это делалось в HFS от MacOS. В современных Windows альтернативные потоки могут хранить практически любую информацию. Этим даже пользуются некоторые вирусы для скрытия своего присутствия в системе.
Дело в том, что альтернативные потоки не пеленгуются Проводником Windows и, по сути, невидимы для пользователей и большинства программ. Однако, Вы можете их просматривать и даже пользоваться ими, например, для скрытия каких-либо данных при помощи специального ПО. Смотреть данные в альтернативных потоках удобно при помощи программы NTFS Stream Explorer , а использовать их для сокрытия файлов при помощи Xp-lore :
Из дополнительных особенностей, которые заслуживают упоминания для NTFS, являются поддержка шифрования, сжатия данных, "мягких" и "жёстких" ссылок на файлы (для папок такой возможности, увы, нет), дисковых квот для разных пользователей системы, а также, естественно, разграничения прав на доступ к файлам.
NTFS изначально была создана исключительно для Windows, однако, сегодня поддерживается большинством медиаплееров (флешки могут быть тоже отформатированы в ней), операционными системами Linux и MacOS (правда, с некоторыми ограничениями на запись). Стоит, однако, отметить слабую поддержку NTFS на популярных игровых консолях. Из них поддержка её есть только у Xbox One.
exFAT
С увеличением во второй половине 2000-х годов объёмов флеш-накопителей стало ясно, что повсеместно используемая файловая система FAT32 скоро исчерпает свой потенциал. Использовать журналируемую NTFS для флешек с их ограниченным количеством циклов перезаписи и более медленной работой оказалось не совсем целесообразно. Поэтому в 2006 году всё та же корпорация Microsoft выпустила в свет новую файловую систему exFAT (сокр. англ. "Extended FAT" - "расширенная FAT") в комплекте с операционной системой Windows Embedded CE 6.0:
Она стала логическим продолжением развития FAT32, поэтому иногда её называют также FAT64. Главным козырем новой файловой системы стало снятие ограничения на размеры файлов и увеличение теоретического предела для дискового раздела до 16 ЭиБ (как в NTFS). При этом, в силу отсутствия журналирования, exFAT сохранила высокую скорость доступа к данным и компактность.
Ещё одним преимуществом exFAT стала возможность увеличения размера кластера до 32 МБ, что существенно позволило оптимизировать хранение больших файлов (например, видео). Кроме того, хранение данных в exFAT организовано таким образом, чтобы максимально минимизировать процессы фрагментации и перезаписи одних и тех же кластеров. Всё это сделано, опять же, в угоду оптимизации работы флеш-накопителей, для которых и была изначально разработана файловая система.
В силу того, что exFAT - относительно новая ФС, имеются некоторые ограничения по её использованию. В Windows полная её поддержка появилась лишь в Vista SP1 (хотя есть обновление для Windows XP SP2 - ). MacOS поддерживает exFAT с версии 10.6.5, а для Linux требуется устанавливать отдельный драйвер (в некоторых дистрибутивах он встроен, а в некоторых поддерживается только чтение).
ext2, ext3 и ext4
Если в среде Windows уже не первое десятилетие "правит бал" NTFS, то в лагере Linux традиционно царит очень большое разнообразие, в том числе и среди применяемых файловых систем. Правда, есть одна их линейка, которая используется большинством дистрибутивов по умолчанию. Это файловые системы семейства ext (англ. сокр. "Extended File System" - "расширенная файловая система"), которые с 1992 года изначально создавались именно под Linux.
Наибольшее распространение получила вторая версия ext2 , которая, как и NTFS, появилась ещё в 1993 году. Правда, в отличии от NTFS, ext2 не является журналируемой файловой системой. Это одновременно и её плюс, и минус. Плюс в том, что она является одной из самых быстрых ФС на запись данных. Также отсутствие журналирования делает предпочтительным её использование на флеш-накопителях и SSD-дисках. Платой же за быстродействие является низкая отказоустойчивость.
С целью улучшить стабильность ext2 в 2001 году была разработана её улучшенная версия ext3 . В ней появилось журналирование, которое может работать в трёх режимах: "writeback" (записываются только метаданные файловой системы), "ordered" (запись в журнал производится всегда ПЕРЕД изменением ФС) и "journal" (полный бэкап метаданных и самих изменяемых файлов).
В остальном особых новшеств не появилось. Да и скорость работы, по сравнению с предыдущей версией, существенно снизилась, поэтому уже в 2006 году появился прототип следующей стадии развития файловой системы ext4 , окончательный релиз которой состоялся в 2008 году. Четвёртая расширенная файловая система сохранила журналирование, но существенно повысила скорость чтения данных, которая стала даже выше, чем в ext2!
Из других новшеств стоит отметить увеличение максимального объёма раздела диска до 1 ЭиБ (с 32 ТиБ в ext2 и ext3), увеличение максимального размера файла до 16 ТиБ (с 2 ТиБ в более ранних версиях) и появление механизма экстентов (от англ. "extent" - "пространство"). Последний позволяет обращаться не к одиночным блокам, как это реализовано в других ФС (и в ext3 в частности), а к объединённым пространствам диска из последовательно идущих кластеров, общим объёмом до 128 МБ, что существенно повышает производительность и уменьшает фрагментацию данных.
На сегодняшний день поддержка файловых систем семейства ext той или иной версии присутствует по умолчанию почти во всех Linux"ах. Из них, практически все системы 2010 года выпуска и старше поддерживают ext4. Для доступа к ext-разделам в Windows и MacOS требуется устанавливать специальное ПО и/или драйверы.
ReiserFS
Ещё одной молодой и перспективной файловой системой "родом" из мира Linux является ReiserFS . Стараниями команды американского разработчика Ганса Райзера она стала первой журналируемой ФС, которая была добавлена в ядро Linux версии 2.4.1 в 2001 году, как раз перед добавлением поддержки ext3.
Фактически, как и появившаяся вслед за ней ext3, ReiserFS дала возможность использовать в Linux полное или частичное журналирование. Однако, в отличие от ext3, имела больший допустимый размер файла (до 8 ТиБ против 2) и максимальную длину имени файла равную 255 символам, а не байтам (4032 байт).
Также одной из особенностей ReiserFS, за которую она полюбилась пользователям стала возможность менять размер раздела без его размонтирования. Подобной функции не было у ext2, но позднее она появилась в ext3, хотя ReiserFS в этом плане тоже была первой.
Несмотря на ряд преимуществ перед альтернативными файловыми системами своего времени, ReiserFS также не была лишена недостатков. К наиболее существенным из них стоит отнести довольно слабую отказоустойчивость при повреждении структуры метаданных и неэффективный алгоритм дефрагментации. Поэтому с 2004 года началась работа по улучшению файловой системы, которая стала известна под названием Reiser4 .
Правда, несмотря на ряд нововведений, улучшений и исправлений, новая файловая система осталась уделом немногих энтузиастов. Дело в том, что в 2006 году Ганс Райзер совершил убийство собственной жены и был взят под стражу, а позднее и заключён в тюрьму. Соответственно, его компания Namesys, которая занималась разработкой Reiser4, была расформирована. С тех пор поддержку и доработку файловой системы осуществляет группа разработчиков под курированием русского разработчика Эдуарда Шишкина.
В конечном итоге поддержка Reiser4 в ядро Linux до сих пор так и не добавлена, но ReiserFS имеется. Поэтому многие продолжают использовать её в различных сборках как файловую систему по умолчанию.
HFS
Говоря о файловых системах, характерных для различных операционок, нельзя не упомянуть о MacOS с её HFS (сокр. англ. "Hierarchical File System" - "иерархическая файловая система"). Первые версии данной системы появились ещё в 1985 году вместе с операционной системой Macintosh System 1.0:
По современным меркам данная файловая система была весьма малоэффективной, поэтому в 1998 года вместе с MacOS 8.1 появилась её улучшенная версия под названием HFS+ или Mac OS Extended , которая поддерживается до сегодняшнего дня.
Как и предшественница, HFS+ делит диск на блоки по 512 КБ (по умолчанию), которые объединяет в кластеры, ответственные за хранение тех или иных файлов. Однако, новая ФС имеет 32-битную адресацию (вместо 16-битной). Это позволяет избежать ограничений на размер записываемого файла и обеспечивает поддержку максимального размера тома до 8 ЭиБ (а в последних ревизиях до 16 ЭиБ).
Из других преимуществ HFS+ нужно отметить журналирование (под него выделяется целый скрытый том под названием HFSJ), а также многопоточность. Причём, если в NTFS альтернативные потоки не имеют особо чёткой регламентации на типы хранимой информации, то в HFS+ конкретно выделяется два потока: поток данных (хранит основные данные файлов) и поток с ресурсами (хранит метаданные файлов).
HFS+ практически идеальна для традиционных HDD, однако, как и рассмотренная выше ReiserFS, имеет не самые эффективные алгоритмы борьбы с фрагментацией данных. Поэтому с распространением SSD-накопителей и внедрением их в технику Apple всё чаще на смену ей приходит файловая система, разработанная в 2016 году APFS (сокр. англ. "Apple File System" - "Файловая система Apple"), появившаяся в настольной macOS High Sierra (10.13) и мобильной iOS 10.3.
Во многом APFS сходна с exFAT в плане оптимизации процессов чтения/записи, однако, в отличие от неё, имеет журналирование, поддерживает распределение прав доступа к данным, имеет улучшенные алгоритмы шифрования и сжатия данных, а также может работать с томами размером аж до 9 ЙиБ (не смейтесь - "йобибайт ") за счёт 64-битной адресации!
Единственным минусом APFS является то, что она поддерживается лишь современной техникой Apple и пока недоступна на других платформах.
Сравнение файловых систем
Сегодня мы рассмотрели много различных популярных файловых систем, поэтому не мешало бы свести все данные о них в единую таблицу:
| Характеристики / ФС | FAT32 | NTFS | exFAT | ext2 | ext4 | ReiserFS | HFS+ | APFS |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Год внедрения | 1996 | 1993 | 2008 | 1993 | 2006 | 2001 | 1998 | 2016 |
| Сфера применения | Windows, съёмные накопители, Linux | съёмные накопители, Windows Vista+, Linux | Linux, съёмные накопители | Linux | Linux | MacOS | MacOS | |
| Максимальный размер файла | 4 ГиБ | 16 ЭиБ | 16 ЭиБ | 2 ТиБ | 16 ТиБ | 8 ТиБ | 16 ЭиБ | 9 ЙиБ |
| Максимальный размер тома | 8 ТиБ | 16 ЭиБ | 64 ЗиБ (зебибайт) | 32 ТиБ | 1 ЭиБ | 16 ТиБ | 16 ЭиБ | 9 ЙиБ |
| Журналирование | - | + | - | - | + | + | + | + |
| Управление правами доступа | - | + | - | - | + | + | + | + |
Выводы
Как видим, для каждой операционной системы существует своя оптимальная файловая система, которая позволяет наиболее эффективно работать с данными. Например, для Windows - это NTFS, для MacOS - HFS+ или APFS. Исключением из правила можно считать лишь многочисленные дистрибутивы Linux. Здесь имеется не один десяток файловых систем, каждая со своими преимуществами и недостатками.
Большинству же пользователей Windows стоит запомнить лишь три наиболее распространённые ФС: FAT32 - для небольших флешек и старого оборудования, NTFS - для большинства компьютеров и exFAT - для ёмких флеш-накопителей и внешних SSD-дисков (об актуальности форматирования системного диска в exFAT до сих пор спорят в виду отсутствия журналирования и большей подверженности сбоям).
P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.
Различные операционные системы поддерживают различные файловые системы . Ваш съемный диск должен использовать FAT32 для лучшей совместимости, но если Вы планируете хранить большие файлы – то форматируйте в NTFS. Mac форматирует диски в стандарт HFS+, который не работает с Windows. В Linux тоже есть свои файловые системы.
Почему их так много?
Файловая системы 101
Различные файловые системы – это просто различные способы организации и хранения файлов на жестком диске, флэш-диске или любом другом устройстве хранения. Каждое запоминающее устройство имеет одну или несколько секций, и каждая секция должна быть «отформатирована» в режим определенной файловой системы. Процесс форматирования создает пустую файловую систему такого типа на устройстве.
Файловая система обеспечивает способ разделения данных на диске на отдельные части, которые являются файлами. Он также предоставляет способ хранения данных об этих файлах – например, их имён, разрешений и других атрибутов. Файловая система также предоставляет индекс-список файлов на диске и где они расположены на диске, так что операционная система может видеть, что на диске в одном месте, и ей не придётся «прочесывать» весь диск, чтобы найти файл .
Операционная система должна понимать файловую систему, чтобы она могла отображать её содержимое, открывать файлы и сохранять в них файлы. Если ваша операционная система не понимает файловую систему, Вы можете установить драйвер файловой системы, который обеспечивает поддержку такой файловой системы.
Файловую систему компьютерного диска можно сравнить с системой организации хранения документов – биты данных на компьютере называются «файлами», и они организованы в «файловой системе», как бумажные файлы могут быть организованы в файловые шкафы. Существуют разные способы организации этих файлов и хранения данных – это есть «файловые системы».
Почему так много файловых систем
Не все файловые системы равнозначны. Различные файловые системы имеют различные способы организации своих данных. Некоторые файловые системы работают быстрее, чем другие, некоторые имеют дополнительные функции безопасности , а некоторые поддерживают диски с большими объемами памяти, в то время как другие работают только на дисках с меньшим объемом памяти. Некоторые файловые системы более надежны и устойчивы к повреждению файлов, в то время как другие снижают надежность в угоду скорости.
Не существует лучшей файловой системы , которая подходила бы для всех целей. Каждая компьютерная операционная система имеет тенденцию использовать свою собственную файловую систему, над которой также работают разработчики операционной системы. Microsoft, Apple и разработчики ядра Linux работают над своими файловыми системами. Новые файловые системы могут быть быстрее, стабильнее, лучше масштабироваться для более крупных устройств хранения данных и иметь больше возможностей, чем старые.
Файловая система не похожа на раздел , который является просто куском пространства для хранения. Файловая система определяет, как файлы раскладываются, организовываются, индексируются и как с ними связаны метаданные. Всегда есть возможность настроить и улучшить как это делается.
Переключение файловых систем
Каждый раздел имеет файловую систему. Иногда вы можете «конвертировать» файловую систему раздела, но это редко возможно. Вместо этого, вероятно, Вам придётся сначала скопировать важные данные из раздела.
Операционные системы автоматически форматируют разделы в соответствующую файловую систему в процессе установки . Если у вас есть раздел в формате Windows, на который вы хотите установить Linux, в процессе установки Linux отформатирует раздел NTFS или FAT32 в файловую систему Linux, предпочтительную для вашего дистрибутива Linux.
Таким образом, если у вас есть устройство хранения данных и вы хотите использовать другую файловую систему, просто скопируйте файлы с него, чтобы создать их резервную копию . Затем воспользуйтесь инструментом Управление дисками в Windows, gparted в Linux или дисковой утилитой в Mac OS.
Обзор распространенных файловых систем
Вот краткий обзор некоторых из наиболее распространенных файловых систем, с которыми вы столкнетесь. Он не является исчерпывающим – существует много других файловых систем для специальных задач:
- FAT32 : является одной из наиболее старых файловых систем Windows, но он всё ещё используется на съемных носителях – небольших по объему. Большие внешние жесткие диски объемом 1 ТБ или более будут, в любом случае, отформатированы с помощью NTFS. FAT32 имеет смысл использовать только с небольшими устройствами хранения или для совместимости с другими устройствами, такими как цифровые камеры, игровые консоли, приставки и другие устройства, которые поддерживают только FAT32, но NTFS.
- NTFS : современная версия файловой системы Windows – используется начиная с Windows XP. Внешние диски могут быть отформатированы с помощью FAT32 или NTFS.
- HFS+ : Mac использует HFS+ для своих внутренних разделов, ей же форматирует внешние диски – для использования внешнего жесткого диска с Time Machine требуется, чтобы атрибуты файловой системы можно было добавлять в резервную копию. Маки также могут читать и записывать файлы в файловые системы FAT32, но Вам понадобится стороннее программное обеспечение для записи в файловые системы NTFS с Mac.
- Ext2 / Ext3 / Ext4 : Вы будете часто видеть файловые системы ext2, ext3 и ext4 в Linux. Ext2 является более старой файловой системой, и она не имеет важных функций, таких как ведение журнала – если питание гаснет или компьютер аварийно завершает работу во время записи на диск ext2, данные могут быть потеряны. Ext3 добавляет эти характеристики робастности за счет некоторой скорости. Ext4 является более современным и быстрым вариантом – это файловая система используется по умолчанию на большинстве дистрибутивов Linux. Windows и Mac не поддерживают эти файловые системы – вам понадобится сторонний инструмент для доступа к файлам в таких файловых системах. Вместе с тем, Linux может читать и записывать как в FAT32, так и в NTFS.
- Btrfs : это новая файловая система Linux, которая всё ещё находится в разработке. На данный момент он не является стандартным для большинства дистрибутивов Linux, но, вероятно, однажды заменит Ext4. Цель состоит в том, чтобы предоставить дополнительные функции, которые позволяют Linux масштабировать до больших объемов хранения.
- Swap : в Linux файловая система «swap», на самом деле, не является файловой системой. Раздел, отформатированный как «swap», может быть использован в качестве пространства подкачки операционной системы – как файл подкачки Windows, но требует специальный раздел.
Существуют и другие файловые системы, особенно в Linux и других Unix-подобных системах.
Типичный пользователь компьютера не должен знать большую часть этого материала – но знание основ поможет Вам понять такие вопросы, как: «почему этот диск в формате Mac не работает с моим ПК на Windows?» и «должен ли я отформатировать этот жесткий диск USB как FAT32 или NTFS?».
