Файловые системы. Структура файловой системы. Реферат: Файловые системы

Функции файловой системы

Файловая система

Характеристики файлов

Методы доступа

Операционные системы реализуют, как правило, различные методы доступа к файлам, которые можно сгруппировать в две категории:

· методы доступа с очередями;

· базисные методы доступа.

Методы доступа с очередями применяются в тех случаях, когда последовательность обработки записей можно предвидеть, к примеру при последовательной и индексно-последовательной организациях. В этих методах предусматривается упреждающая буферизация и планирование операций ввода-вывода. Вместе с тем, эти методы обеспечивают автоматическое блокирование и деблокирование записей.

Базисные методы доступа применяются обычно в случаях, когда последовательность обработки записей предвидеть нельзя, в частности при прямом или произвольном доступе. Базисными методами читаются и записываются физические блоки, блокирование и деблокирование, при крайне важно сти, определяет сам пользователь.

· Изменчивость - указывает на частоту внесения в файл новых записей и удаление старых. Когда частота мала, файл называют статичным , а когда велика - динамичным или изменчивым файлом.

· Активность - определяется процентом записей файла, обрабатываемых в течение данного прогона.

· Размер - определяет количество информации, хранящейся в файле.

Файловая система - это часть общей системы управления памятью (см. Структура ядра ОС), назначение которой сводится в основном к управлению файлами, хранящимися во внешней памяти, а также к контролируемому разделению информации между пользователями.

· предоставление возможности создавать, модифицировать, уничтожать файлы;

· контролируемое разделение файлов несколькими пользователями;

· предоставление пользователю возможности задания различной структуры файлов и возможности управления передачей информации между файлами;

· в системе должны быть предусмотрены средства обеспечения сохранности и восстановления информации в файлах;

· система должна обеспечивать независимость файлов от внешних устройств, ᴛ.ᴇ. пользователям должна быть предоставлена возможность обращения к файлам с использованием символических имен;

· система должна предоставлять защиту информации в файлах от несанкционированнного доступа (возможность шифрования и дешифрования данных);

· файловая система должна иметь “дружественный” интерфейс по отношению к пользователю.

Файловая система, входящая в состав ядра ОС, как правило, содержит следующие средства:

· Методы доступа , которые определяют конкретную организацию доступа к данным, хранящимся в файлах.

· Средства управления файлами, обеспечивающие хранение файлов, обращение к ним, коллективное использование и защиту.

· Средства управления внешней памятью, обеспечивающие распределение пространства внешней памяти для размещения файлов.

· Средства обеспечения целостности файлов, которые гарантируют сохранность информации файла.

Файловая система UNIX

Рассмотрим файловую систему на примере UNIX. Как уже отмечалось, основной функцией файловой системы является распределение дискового пространства на именованные учестки - файлы. Некоторые системы поддерживают разнотипные файлы с соответствующими методами доступа (прямой, индексный, индексно-последовательный и т.п.). в UNIX этого нет. Ее файловая система чрезвычайно проста͵ и файлы представляют из себяпросто последовательности байтов. Иногда к ним обращаются как к текстовым или двоичным данным, но различаются они лишь содержимым, а не структурой и методом доступа. В современных условиях это вовсе не недостаток, так как в данном случае система становится универсальной - не делается никаких предположений о внутренней структуре данных файла, и доступ к любому внешнему устройству, а также к другому процессу осуществляется как к обычному файлу.

Для пользователя, успевшего поработать с MS DOS или Windows иерархичнось файловой системы UNIX , которая строится в виде сети, не представляет ничего удивительного, за исключением, должна быть того, что сняты все ограничения на длину имени файла. В UNIX имеется три вида файлов, доступ к которым идентичен:

· обычные дисковые файлы;

· каталоги;

· специальные файлы

Обычные файлы размещаются на диске и содержат информацию, которую в них заносит пользователь. Файлами также являются готовые к исполнению программы, объектные модули и т.д. Система не накладывает никаких ограничений на внутреннюю структуру информации, хранимой в файле. Структурой информации управляет пользователь, а не система. С точки зрения UNIX обычный файл является бесструктурным массивом байтов с прямым доступом. При этом, текстовые файлы в UNIX принято форматировать в виде строк произвольной длины, отделенных друг от друга символами перевода строки.

Каталоги в общеупотребительном смысле - это просто папки, где хранятся файлы, сгруппированные по какому-либо произвольному признаку, к примеру текстовые документы, выполнимые программы, библиотеки и библиотечные модули, исходные тексты программ и т.д. В свою очередь, группы каталогов могут образовывать в логическом смысле том с главным корневым каталогом, на который должна быть смонтирована та или иная файловая система. Каталоги содержат информацию о файлах. В том числе их имена, размеры, методы доступа, режимы и типы.

Поскольку каталоги содержат важную информацию о файлах, они защищены механизмами ОС. В отличие от обычного файла для записи и чтения информации из файла-каталога требуются системные привилегии. Во всех других отношениях, с точки зрения ОС, это такой же обычный файл.

Внутренняя структура каталога весьма простая: для каждого файла или другого каталога нижнего уровня создается запись. Организованная в структуру следующего содержания:

Struct {

Int inodе ; /*индексный дескриптор*/

Char name;/* имя файла*/

Здесь inodе содержит номер индексного дескриптора, в котором сосредоточена информация о типе файла (каталог, обычный файл или специальный файл), о коде его защите, длине, дате и времени создания, а также о расположении данных файла на диске. Существует по одному дескриптору на каждый файл, и именно с ними работает файловая система.

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 обычно размещается на дисках или других устройствах внешней памяти, имеющих блочную структуру. Кроме блоков, сохраняющих каталоги и файлы, во внешней памяти поддерживается еще несколько служебных областей.

В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs). Файловая система s5 состоит из четырех секций (рисунок 2.2,a). В файловой системе ufs на логическом диске (разделе реального диска) находится последовательность секций файловой системы (рисунок 2.2,b).

Рис. 2.2. Структура внешней памяти файловых систем s5 и ufs

Кратко опишем суть и назначение каждой области диска.

Boot -блок содержит программу раскрутки, которая служит для первоначального запуска ОС UNIX. В файловых системах s5 реально используется boot -блок только корневой файловой системы. В дополнительных файловых системах эта область присутствует, но не используется.
Суперблок - это наиболее ответственная область файловой системы, содержащая информацию, которая необходима для работы с файловой системой в целом. Суперблок содержит список свободных блоков и свободные i-узлы (information nodes - информационные узлы). В файловых системах ufs для повышения устойчивости поддерживается несколько копий суперблока (как видно из рисунка 2.2,b, по одной копии на группу цилиндров). Каждая копия суперблока имеет размер 8196 байт, и только одна копия суперблока используется при монтировании файловой системы (см. ниже). Однако, если при монтировании устанавливается, что первичная копия суперблока повреждена или не удовлетворяет критериям целостности информации, используется резервная копия.
Блок группы цилиндров содержит число i-узлов, специфицированных в списке i-узлов для данной группы цилиндров, и число блоков данных, которые связаны с этими i-узлами. Размер блока группы цилиндров зависит от размера файловой системы. Для повышения эффективности файловая система ufs старается размещать i-узлы и блоки данных в одной и той же группе цилиндров.
Список i-узлов (ilist) содержит список i-узлов, соответствующих файлам данной файловой системы. Максимальное число файлов, которые могут быть созданы в файловой системе, определяется числом доступных i-узлов. В i-узле хранится информация, описывающая файл: режимы доступа к файлу, время создания и последней модификации, идентификатор пользователя и идентификатор группы создателя файла, описание блочной структуры файла и т.д.
Блоки данных - в этой части файловой системы хранятся реальные данные файлов. В случае файловой системы ufs все блоки данных одного файла пытаются разместить в одной группе цилиндров. Размер блока данных определяется при форматировании файловой системы командой mkfs и может быть установлен в 512, 1024, 2048, 4096 или 8192 байтов.

Файловая система FreeBSD является ключевым моментом в понимании устройства всей системы. Самым важным понятием является, несомненно, корневой каталог, обозначаемый символом "/". Корневой каталог монтируется самым первым на этапе загрузки и содержит все необходимое, чтобы подготовить систему к загрузке в многопользовательский режим. Корневой каталог также содержит точки монтирования всех других файловых систем.

UNIX не использует букв дисков, или других имен дисков в пути. Это значит, что не нужно писать c:/foo/bar/readme.txt в UNIX.

Вместо этого, одна файловая система назначается корневой файловой системой. Обращение к корневому каталогу корневой файловой системы происходит через /. Любая другая файловая система монтируется к корневой файловой системе. Неважно как много дисков есть в вашей системе FreeBSD, каждый каталог будет выглядеть как расположенный на том же диске.

Точкой монтирования называется каталог, который будет соответствовать корню смонтированной файловой системы. Стандартные точки монтирования включают /usr, /var, /tmp, /mnt и /cdrom. Эти каталоги обычно перечислены в файле /etc/fstab, в котором указаны файловые системы и их точки монтирования. Большинство файловых систем, описанных в /etc/fstab монтируются автоматически, если только для них не указана опция noauto.

Монтирование файловых систем во FreeBSD

Для монтирования файловых используется команда mount, для размонтирования – umount. Подробную информацию об этих командах и используемых ими опциях можно найти справочной системе.

Файловые системы содержатся в разделах. Каждый раздел обозначается буквой от a до h. Каждый раздел может содержать только одну файловую систему, это значит что файловая система может быть описана ее точкой монтирования в файловой иерархии, или буквой раздела, в котором она содержится.

FreeBSD также использует дисковое пространство под раздел подкачки (swap space). Подкачка позволяет FreeBSD работать с виртуальной памятью. Ваш компьютер может работать так, как если бы у него было больше памяти, чем есть на самом деле. Когда у FreeBSD кончается память, она перемещает часть данных, не используемых в данный момент, в раздел подкачки и возвращает их обратно (перемещая в подкачку что-то другое), когда они нужны.

По некоторым разделам есть определенные соглашения:

Это позволяет утилитам, которым нужно работать над всем слайсом (например, сканер плохих блоков), работать с разделом c. В обычной ситуации не нужно создавать файловую систему на этом разделе.

Каждый раздел, содержащий файловую систему, хранится на том, что во FreeBSD называется слайс (slice). Слайс - это термин FreeBSD, то, что обычно называют разделом в других операционных системах (например, Windows и Linux).

Слайсы нумеруются с 1 по 4. Номера слайсов следуют за именем устройства, предваряемые строчной s, начиная с 1. Так "da0s1" это первый слайс первого SCSI устройства.

Может быть только четыре физических слайса на диске, но могут быть логические слайсы нужного типа внутри физических слайсов. Эти дополнительные слайсы нумеруются начиная с 5, так что "ad0s5" это первый дополнительный слайс на первом IDE диске. Эти устройства используются файловыми системами, занимающими весь слайс.

Слайсы, "эксклюзивно выделенные (dangerously dedicated)" физические устройства и другие устройства содержат разделы, представляемые буквами от a до h. Эти буквы добавляются к имени устройства. "da0a" это раздел a на первом устройстве da, который "эксклюзивно выделен". "ad1s3e" это пятый раздел в третьем слайсе второго IDE диска.

Наконец, каждый диск имеет своё имя, которое начинается с кода, обозначающего тип диска, затем идет номер диска. В отличие от слайсов, нумерация дисков начинается с 0. Основные коды указаны в таблице ниже:

Код	Значение
ad	ATAPI (IDE) диск
da	SCSI direct access диск
acd	ATAPI (IDE) CDROM
cd	SCSI CDROM
fd	Floppy disk

Иерархия файловой системы

Полное описание иерархии файловой системы есть в справочном руководстве (man hier). В таблице ниже перечислены наиболее важные каталоги.

Каталог	Описание
/	Корневой каталог файловой системы.
/bin/	Основные утилиты, необходимые для работы как в однопользовательском, так и в многопользовательском режимах.
/boot/	Программы и конфигурационные файлы, необходимые для нормальной загрузки операционной системы.
/boot/defaults/	Конфигурационные файлы с настройками по умолчанию, используемые в процессе загрузки операционной системы
/dev/	Файлы устройств
/etc/	Основные конфигурационные файлы системы и скрипты.
/etc/defaults/	Основные конфигурационные файлы системы с настройками по умолчанию
/etc/mail/	Конфигурационные файлы для систем обработки почты
/etc/namedb/	Конфигурационные файлы для утилиты named
/etc/periodic/	Файлы сценариев, выполняемые ежедневно, еженедельно и ежемесячно
/etc/ppp/	Конфигурационные файлы для утилиты ppp
/mnt/	Пустой каталог, часто используемый системными администраторами как временная точка монтирования.
/proc/	Виртуальная файловая система, отображающая текущие процессы
/rescue/	Статически собранные программы для восстановления после сбоев.
/root/	Домашний каталог пользователя root.
/sbin/	Системные утилиты и утилиты администрирования, необходимые для работы как в однопользовательском, так и в многопользовательском режимах.
/tmp/	Временные файлы. Содержимое /tmp обычно теряется во время перезагрузки системы.
/usr/	Большинство пользовательских утилит и приложений.
/usr/bin/	Пользовательские утилиты и приложения общего назначения.
/usr/include/	Файлы стандартных библиотек.
/usr/libdata/	Файлы данных для различных утилит.
/usr/libexec/	Системные демоны и утилиты (выполняемые другими программами).
/usr/local/	Локальные пользовательские приложения, библиотеки, и т.д. Также используется по умолчанию коллекцией портов. Внутри /usr/local иерархия каталогов должна следовать стандарту иерархии для /usr. Исключение составляют каталог man, который расположен непосредственно в /usr/local, а не в /usr/local/share, и документация портов, которая расположена в share/doc/port.
/usr/obj/	Архитектурно-зависимые файлы и каталоги, образующиеся в процессе сборки системы из исходных текстов в /usr/src.
/usr/ports/	Коллекция портов FreeBSD (опционально).
/usr/sbin/	Системные утилиты и утилиты администрирования (исполняемые пользователем).
/usr/share/	Архитектурно-независимые файлы.
/usr/src/	Исходные тексты BSD и/или программ.
/usr/X11R6/	Утилиты, приложения и библиотеки X11R6 (X Window System; необязательно).
/var/	Файлы журналов общего назначения, временные, перемещаемые файлы и файлы очередей.
/var/log/	Различные файлы системных журналов.
/var/mail/	Почтовые ящики пользователей.
/var/spool/	Файлы очередей печати, почты, и пр.
/var/tmp/	Временные файлы, которые обычно сохраняются во время перезагрузки системы, если только /var не является файловой системой в памяти.

Типы и виды файлов

В отличие от ОС Windows, в UNIX расширение файла не определяет его тип и может вообще отсутствовать. Расширение обычно используется для удобства пользователя и операционной системе не требуется. Вместо этого, UNIX определяет тип файла с помощью магии (подсистемы magic), которая на основании магических чисел (magic numbers), полученных в результате анализа содержимого файла делает вывод о типе файла. Таблица магических чисел постоянно обновляется и уточняется и содержит сигнатуры различных типов файлов. Кроме того, в UNIX существуют различные виды файлов, информация о которых содержится атрибутах файловой системы для этих файлов. Всего в UNIX существует 6 различных видов файлов:

Обычный файл (regular file)
Каталог (directory)
Специальный файл устройства (special device file)
FIFO, или именованный канал (named pipe)
Символьная ссылка (symbol link)
Сокет (socket)

Файлы устройств и каталог /dev

Термин "устройство" используется в основном по отношению к аппаратному обеспечению системы, такому как диски, принтеры, графические адаптеры, устройства ввода текста. В UNIX доступ к большинству этих устройств можно получить через специальные файлы устройств, расположенные в каталоге /dev. При добавлении в систему нового устройства или добавлении поддержки дополнительных устройств потребуется создать один или несколько файлов устройств для нового оборудования. Для устранения необходимости в этих действиях в FreeBSD используется Device filesystem, или DEVFS. Она предоставляет доступ к пространству устройств ядра через общую файловую систему. Вместо создания и модификации файлов устройств, DEVFS создает специальную файловую систему.