Понятие файловой системы

Понятие файловой системы

При наличии большого числа программ и данных необходим строгий их учет и систематизация. Операционным системам приходится работать с различными потоками данных, разными аппаратными и периферийными устройствами компьютера. Организовать упорядоченное управление всеми этими объектами позволяет файловая система.

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе операционной системы 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. Таким образом, файловая система - это система управления данными.

Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учетом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных. Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными. Пользователь, работая в контексте определенного языка программирования, обычно использует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определенную структуру. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т.д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Роль учетного механизма, позволяющего обслуживать десятки и сотни файлов, в файловой системе очень важна. Общим приемом является сведение учетной информации о расположении файлов на магнитном диске в одно место - его каталог (директорий). Каталог представляет собой список элементов, каждый из которых описывает характеристики конкретного файла, используемые для организации доступа к этому файлу - имя файла, его тип, местоположение на диске и длину файла. В простых операционных системах (например ОС РАФОС) местоположение единственного каталога на магнитном диске (дискете) и его размер фиксированы. В более сложных системах каталог может находиться в любом месте диска, но на него должна иметься ссылка в, так называемой, метке тома, находящейся в фиксированном месте и формируемой при инициализации диска. Более того, каталогов может быть большое число и они могут быть логически связаны в какие-либо информационные структуры. Так, наиболее развитая многоуровневая файловая система UNIX поддерживает иерархическую (древовидную) систему каталогов (рис.1). Каждый пользователь может работать в составе этой структуры со своей системой каталогов (со своим поддеревом). Полное имя файла в данной структуре задает путь переходов между каталогами в логической структуре каталогов.

Файл обладает уникальным идентификатором (именем), обеспечивающим доступ к файлу. Идентификатор включает в себя собственно имя - буквенно-цифровое обозначение файла, которое может содержать специальные символы (подчеркивание, дефис, ! и т.д.), и расширение имени файла (обычно отделяемое от имени файла точкой). Если имена создаваемых файлов пользователь может задавать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться традиции, согласно которой расширение указывает на тип файла, характер его содержимого. Известны десятки стандартных расширений, используемых при работе с различными программными системами.

В различных ОС существуют определенные ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS-DOS длина имени файла не должна превышать восьми символов, а расширение - трех. В ОС UNIX ограничения значительно менее жесткие.

Имена директорией, начиная от корневого, образующие путь к файлу, отделяемые при записи друг от друга косой чертой (\ в DOS, / в UNIX), также как и обозначение диска, относятся к идентификатору файла. Например, в MS-DOS: d:\lang\pascal\work\example.pas есть файл с именем example и расширением pas, указывающем на то, что это текст программы на Паскале, полный путь к которому: d:- диск d; \lang\pascal\work - это структура вложенных директорией, в самом внутреннем из которых находится необходимый файл example.pas.

Каждый каталог рассматривается как файл, имеет собственное имя. Продвижение по дереву при поиске некоторого каталога или файла возможно как вниз по дереву от текущего узла, так и вверх в направлении к корню. В каждом каталоге хранится список имен файлов, а также ссылки на дескрипторы файлов. В дескрипторах сосредоточена подробная информация о файле (список номеров блоков, занимаемых файлом, метод доступа к файлу, дата создания файла, идентификатор владельца, тип файла). В процессе работы могут создаваться новые каталоги и вписываться в требуемое место иерархии.

Файловая система ОС обеспечивает основные операции над файлами: их открытие (что сопровождается копированием учетной информации о файле, обеспечивающей быстрый доступ к нему, в некоторую структуру данных, расположенную в оперативной памяти, подготовкой буферов и каналов для передачи информации), копирование, перемещение, объединение, удаление, закрытие. Вторую группу представляют операции чтения и записи составных элементов файла. Особая группа операций обеспечивает печать содержимого каталогов или файлов, управление правами доступа к файлам, поиска файлов и т.д.

Развитые многопользовательские файловые системы обеспечивают также защиту и разделение данных, хранящихся в файлах, при работе с ними разных пользователей. Так, например, после входа в систему UNIX (который производится по паролю) пользователь получает доступ к ряду системных, групповых и личных каталогов и файлов. Каждый файл и каталог имеет владельца. Обычно это пользователь, создавший их. Владелец может затем назначить тип защиты файла от трех категорий пользователей:

·         владельца (самого себя);

·         представителей той же группы пользователей, что и владелец (понятие группы полезно при совместной работе над какими-либо проектами);

·         всех остальных пользователей системы.

Каждый файл (каталог) имеет три вида разрешения на доступ:

·         чтение (г - read) - можно просматривать содержимое файла (каталога);

·         запись (w - write) - можно менять содержимое файла (создавать или удалять файлы в каталоге);

·         выполнение (х - execute) - можно использовать файл как команду UNIX.

              2 вариант

              1. Общие сведения о файловых системах

Совокупность каталогов и системных структур данных, отслеживающих размещение файлов на диске и свободное дисковое пространство, называется файловой системой. Основной структурной единицей любой файловой системы является файл и каталог.

Файл - минимальная структурированная именованная последовательность данных. Каталог (папка) является своеобразной объединяющей структурой для расположенных на диске файлов. Каталог может содержать в себе файлы и другие (вложенные) каталоги. Каталоги и файлы образуют на диске древовидную иерархическую структуру - дерево каталогов. Единственный каталог не входящий ни в одну из директорий называется корневым каталогом.

Все файлы в компьютере хранятся на магнитных дисках, которые являются частью его конструкции. Магнитные диски являются устройствами произвольного доступа. В них каждая запись данных имеет свой уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный доступ к ней, минуя все остальные записи. Для хранения данных служит диск (пакет из нескольких дисков), покрытый ферромагнитным слоем. Запись на магнитный диск и считывание данных с него осуществляется головками чтения/записи.

Рис. 1 Структура поверхности магнитного диска

Поверхность диска разбита на дорожки представляющие собой окружности (рис. 1). Дорожки разделены на секторы. Размер сектора обычно составляет 512 байт.

В большинстве файловых систем пространство на диске выделяется кластерами, которые состоят из нескольких секторов. Кластер - минимальный размер места на диске, которое может быть выделено для хранения одного файла. Перед тем, как диск может быть использован для записи данных, он должен быть размечен -- на его дорожки должны быть записаны заголовки секторов с правильными номерами дорожки и сектора, а также, если это необходимо, маркеры. Как правило, при этом же происходит тестирование поверхности диска для поиска дефектов магнитного слоя. Не следует путать эту операцию -- физическое форматирование диска -- с логическим форматированием, заключающемся в создании файловых систем. Современные жесткие диски обычно требуют физической разметки при их изготовлении.

Один физический жесткий диск может быть разделен на несколько разделов - логических дисков (томов). Каждый логический диск представляет собой как бы отдельное устройство. Следовательно, на нем может быть своя файловая система и свой корневой каталог.

В операционных системах MS-DOS и Windows каждое дисковое устройство обозначается латинской буквой. Для имени логического диска используются буквы от A до Z. Буквы A и B обозначают дисководы гибких магнитных дисков (FDD). Начиная с буквы C, именуются разделы жесткого диска (HDD), дисководы оптических дисков и виртуальные диски. Для обращения к файлу используется следующая спецификация:

устройство:\путь\имя файла.расширение

Здесь путь - список каталогов, входящих друг в друга, в последнем из которых и содержится указанный файл. Если путь не указан, следует что, файл находится в корневом каталоге данного диска. В MS-DOS имя файла состоит из 8 символов, точки и 3 символов расширения имени файла. Точка отделяет собственно имя от расширения. Имя файла может состоять из латинских букв, цифр 0 - 9, некоторых других символов, и не может содержать пробел. В Windows поддерживаются длинные имена файлов (от 1 до 255 символов), имя может содержать пробелы. При использовании файловых систем HPFS и NTFS имя файла может содержать несколько точек.

В именах файлов нельзя использовать символы “ * ” и “ ? ”, так как они используются в масках имен при поиске файлов.

Расширение имени необходимо для определения типа файла и связывания файла с определенной программой, с помощью которой он может быть открыт. Хотя имя файла может и не иметь расширения.

Различают следующие типы файлов:

1) Текстовые файлы. Текстовые файлы могут содержать простой или размеченный текст, в кодировке ASCII, ANSI или UNICODE. Текст без разметки содержит только отображаемые символы и простейшие управляющие символы (возврат каретки и табуляции). Размеченный текст содержит бинарную и символьную разметку (межстрочный интервал, новая страница и т.п.), может содержать таблицы и рисунки;

2) Графические файлы - файлы, содержащие точечные или векторные изображения;

3) Файлы мультимедиа - различают файлы содержащие оцифрованный звук (файлы аудио) и фалы видео (содержат изображение и звук);

4) Исполняемые файлы - программы готовые к исполнению (файлы с расширением exe и com).

5) Архивные файлы - файлы архивов rar, tar, zip, cab и т.п.

6) Файлы библиотек - файлы с расширением DLL, OCX и LIB;

7) Файлы данных - бинарные или текстовые файлы с различным расширением, используемые программами во время работы.

Информация о логической организации физического жесткого диска

(числе логических дисков, их размере) расположена в главной загрузочной записи (MBR). MBR расположена в самом первом секторе жесткого диска и не входит в структуру файловой системы.

В операционных системах семейства UNIX разделение на логические диски отсутствует, а используется понятие корневого каталога файловой системы. Спецификация обращения к файлу выглядит следующим образом:

/путь/имя файла.тип

В операционной системе RSX (RSX-11) дисковые устройства идентифицируются кодами: групповой идентификатор, порядковый номер в группе, двоеточие (например, DKx, DMx или DPx). Спецификация обращения к файлу выглядит следующим образом:

устройство:[g,n] имя.расширение

где:

устройство - идентификатор устройства (DKx, DMx, DPx - магнитные диски; MTx - магнитные ленты; ТТх - терминал ЭВМ, LPx - принтер);

[g,n] - каталог.

Современные операционные системы имеют возможность работать с несколькими файловыми системами одновременно. Прежде чем операционная система сможет использовать файловую систему, она должна выполнить над этой системой операцию, называемую монтированием. В общем случае операция монтирования включает следующие шаги:

1) Проверку типа монтируемой файловой системы; проверку целостности файловой системы;

2) Считывание системных структур данных и инициализацию соответствующего модуля файлового менеджера (драйвера файловой системы). В некоторых случаях -- модификацию файловой системы с тем, чтобы указать, что она уже смонтирована;

3) Включение новой файловой системы в общее пространство имен. Многие пользователи MS DOS никогда не сталкивались с понятием монтирования. Дело в том, что эта система (как и многие другие ДОС, например RT-11) выполняет упрощенную процедуру монтирования при каждом обращении к файлу.