Файловые системы: сравнение, секреты и уникальные особенности. Разновидности файловых систем

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ФАЙЛОВЫХ СИСТЕМ

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске,
наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами, такие как, например, каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,
комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности операции по созданию, уничтожению, чтению, записи, именованию файлов, установке атрибутов и уровней доступа, поиску и т.д.

Файловая система представляет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между приложением и конкретной файловой системой, к которой обращается приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы к файлам в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем драйверов файловых систем. Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к драйверам конкретных устройств хранения информации.

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. Чтобы добиться переносимости программ из операционной системы CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мбайта, и вначале не предусматривала поддержки жестких дисков. В настоящее время FAT поддерживает файлы и разделы размеров до 2 Гбайт.

В FAT применяются следующие соглашения по именам файлов:

имя должно начинаться с буквы или цифры и может содержать любой символ ASCII, за исключением пробела и символов "/\:;|=,^*?
Длина имени не превышает 8 символов, за ним следует точка и необязательное расширение длиной до 3 символов.

регистр символов в именах файлов не различается и не сохраняется.

Структура раздела FAT изображена на рисунке 2. В блоке параметров BIOS содержится необходимая BIOS информация о физических характеристиках жесткого диска. Файловая система FAT не может контролировать отдельно каждый сектор, поэтому она объединяет смежные сектора в кластеры (clusters ). Таким образом, уменьшается общее количество единиц хранения, за которыми должна следить файловая система.

Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения алгоритма поиска системных файлов на диске, то системные файлы должны находиться в определенном месте, чтобы загрузочная запись могла их найти. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге на диске FAT ограничено 512.

Каждому файлу и подкаталогу в FAT соответствует 32-байтный элемент каталога (directory entry), содержащий имя файла, его атрибуты (архивный, скрытый, системный и “только для чтения”), дату и время создания (или внесения в него последних изменений), а также прочую информацию

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если в процессе работы одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску

Высокопроизводительная файловая система HPFS (High Performance File System) была представлена фирмой IBM в 1989 году вместе с операционной системой OS/2 1.20. Файловая система HPFS также поддерживалась ОС Windows NT до версии 3.51 включительно. По производительности эта ФС существенно опережает FAT. HPFS позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт (первоначально до 4 Гбайт). Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

HPFS распределяет пространство на диске не кластерами как в FAT, а физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файл HPFS стремится, по возможности, размещать файлы в последовательных смежных секторах. Фрагмент файла, располагающийся в смежных секторах, называется экстентом .

Для нумерации единиц распределения пространства диска HPFS использует 32 разряда, что дает 2 32 , или более 4 миллиардов номеров. Однако HPFS использует числа со знаком, что сокращает число возможных номеров блоков до 2 миллиардов. Помимо стандартных атрибутов файла, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (Extended Attributes, EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о файле.

В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое B-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. Сбалансированное дерево состоит из корневого (root block) и оконечных блоков (leaf block). Блоки занимают 4 последовательных сектора и в среднем могут содержать 40 записей.

Файловая система VFAT (Virtual FAT), реализованная в Windows NT 3.5, Windows 95 (DOS 7.0), - это файловая система FAT, включающая поддержку длинных имен файлов (Long File Name, LFN) в кодировке UNICODE (каждый символ имени кодируется 2 байтами). VFAT использует ту же самую схему распределения дискового пространства, что и файловая система FAT, поэтому размер кластера определяется величиной раздела.

В VFAT ослаблены ограничения, устанавливаемые соглашениями по именам файлов FAT:

имя может быть длиной до 255 символов.
в имя можно включать несколько пробелов и точек, однако, текст после последней точки рассматривается как расширение.

регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

Основной задачей при разработке VFAT была необходимость корректной работы старых программ, не поддерживающих длинные имена файлов. Как правило, прикладные программы для доступа к файлам используют функции ОС. Если у элемента каталога установить “нереальную” комбинацию битов атрибутов: “только для чтения”, “скрытый”, “системный”, “метка тома” – то любые файловые функции старых версий DOS и Windows не заметят такого элемента каталога. В итоге для каждого файла и подкаталога в VFAT хранится два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога, байт атрибутов, у которых равен 0Fh. Для любого файла или подкаталога непосредственно перед единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла не более 13 символов, из всех таких записей ОС составляет полное имя файла. Поскольку одно длинное имя файла может занимать до 21 записи, а корневой каталог FAT ограничен 512 записями, желательно ограничить использование длинных имен в корневом каталоге.

Короткое имя генерируется файловой системой автоматически в формате 8.3. Для создания коротких имен (псевдонимов) файлов используется следующий алгоритм:

Из длинного имени удалить все символы не допустимые в именах FAT. Удалить точки в конце и начале имени. После этого удалить все точки, находящиеся внутри имени кроме последней.
Обрезать строку, расположенную перед точкой, до 6 символов и добавить в ее конец "~1". Обрезать строку за точкой до 3 символов.
Полученные буквы преобразовать в прописные. Если сгенерированное имя совпадает с уже существующим, то увеличить число в строке "~1".

Данный алгоритм зависит от версии операционной системы и в будущих версиях может меняться

Редактирование файлов программами, не поддерживающими длинные имена файлов, может приводить к потере длинных имен. Windows обнаруживает подобные элементы каталога, так как их контрольная сумма не соответствует больше тому, что записано в последующей записи каталога в формате 8.3. Однако такие записи не удаляются системой автоматически, они занимают дисковое пространство, до тех пор, пока вы не запустите программу ScanDisk, входящую в состав операционной системы. Большинство старых дисковых утилит воспримут записи, соответствующие длинным именам, как ошибки логической структуры диска. Попытки использовать данные утилиты, в лучшем случае приведет к потере длинных имен, а в худшем - к потере информации на диске.

В настоящее время появляются новые поколения жестких дисков, имеющие все бoльшие объемы дискового пространства, в то время как возможности FAT уже достигли своего предела (FAT может поддерживать разделы размером до 2 Гб).

FAT32 - усовершенствованная версия файловой системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом до 2 терабайт. Впервые файловая система FAT32 была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу.

Из-за требования совместимости с ранее созданными программами структура FAT32 содержит минимальные изменения. Главные отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем. Блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2 секторов и включает в себя резервную копию загрузочного сектора, что позволяет системе быть более устойчивой к возможным сбоям на диске. Объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился, поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT. Соответственно, выросло и количество зарезервированных секторов.

Необходимо отметить, что официально Microsoft не поддерживает разделы FAT32 объемом менее 512 Мб. Однако в версии утилиты FDISK, поставляемой вместе с OSR2, имеется недокументированный флаг /FPRMT, позволяющий отформатировать под FAT32 разделы объемом менее 512 Мб. Microsoft также не поддерживает FAT32-разделы с размером кластера меньшим, чем 4 Кб. Размеры кластера, предлагаемые по умолчанию при форматировании FAT32 дисков, приведены в таблице 5. Параметр /Z утилиты FORMAT позволяет самостоятельно установить размер кластера на разделе FAT32: FORMAT <диск> /Z:n, где n – число секторов в кластере.

Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте, вместо этого в блоке BPB хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге.

Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.

В данный момент FAT32 поддерживается в следующих ОС: Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows NT 5.0.

NTFS (New Technology File System) - наиболее предпочтительная файловая система при работе с ОС Windows NT, поскольку она была специально разработана для данной системы. В состав Windows NT входит утилита convert, осуществляющая конвертирование томов с FAT и HPFS в тома NTFS. В NTFS значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов, поддержка требований стандарта POSIX. NTFS позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле – главной файловой таблице MFT (Master File Table ). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы размером около 1 Мб для специальной информации. Первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.

В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов. Журнал транзакций применяется для восстановления тома NTFS после сбоя системы. Запись для корневого каталога содержит список файлов и каталогов, хранящихся в корневом каталоге.

Схема распределения пространства на томе хранится в файле битовой карты (bitmap file). Атрибут данных этого файла содержит битовую карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.

В загрузочном файле (boot file) хранится код начального загрузчика Windows NT.

NTFS также поддерживает файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе и файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома. Наконец, имеется файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.

NTFS распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь 2 64 кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT размер кластера может меняться, но необязательно возрастает пропорционально размеру диска. Размеры кластеров, устанавливаемые по умолчанию при форматировании раздела, приведены в табл. 6.

NTFS позволяет хранить файлы размером до 16 эксабайт (2 64 байт) и располагает встроенным средством уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При уплотнении файла, в отличие от схем уплотнения используемых в FAT, применяется пофайловое уплотнение, таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах.

Для уменьшения фрагментации NTFS всегда пытается сохранить файлы в непрерывных блоках. Эта система использует структуру каталогов в виде B-дерева, аналогичную высокопроизводительной файловой системе HPFS, а не структуре со связанным списком применяемой в FAT. Благодаря этому поиск файлов в каталоге осуществляется быстрее, поскольку имена файлов хранятся сортированными в лексикографическом порядке.

NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция и может выполняться как неделимый блок. При модификации файла пользователем сервис файла регистрации фиксирует всю информацию необходимую для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат транзакции.

Несмотря на наличие защиты от несанкционированного доступа к данным NTFS не обеспечивает необходимую конфиденциальность хранимой информации. Для получения доступа к файлам достаточно загрузить компьютер в DOS с дискеты и воспользоваться каким-нибудь сторонним драйвером NTFS для этой системы.

Начиная с версии Windows NT 5.0 (новое название Windows 2000) Microsoft поддерживает новую файловую систему NTFS 5.0 . В новой версии NTFS были введены дополнительные атрибуты файлов; наряду с правом доступа введено понятие запрета доступа, позволяющее, например, при наследовании пользователем прав группы на какой-нибудь файл, запретить ему возможность изменять его содержимое. Новая система также позволяет:

вводить ограничения (квоты) на размер дискового пространства, предоставленного пользователям;
проецировать любой каталог (как на локальном, так и на удаленном компьютере) в подкаталог на локальном диске.

Интересной возможностью новой версии Windows NT является динамическое шифрование файлов и каталогов, повышающее надежность хранения информации. В состав Windows NT 5.0 входит файловая система с шифрованием (Encrypting File System, EFS ), использующая алгоритмы шифрования с общим ключом. Если для файла установлен атрибут шифрования, то при обращении пользовательской программы к файлу для записи или чтения происходит прозрачное для программы кодирование и декодирование файла.

UFS (Unix File System)

Так же, как Unix представляет не одну систему, а ряд совместимых, так же UFS - не одна система, а целый ряд. Информации о поддержке разными Unix"ами чужих UFS у меня пока нет; информацию по поводу поддержки чужих файловых систем для каждого конкретного Unix"а скорее всего можно найти в документации к программе " mount ".

Основным отличием UFS от других известных мне систем является выделение атрибутов файла в отдельном объекте файловой системе - inode; это позволяет иметь доступ к файлу (к набору данных, хранящихся в файле) более чем по одному имени (так называемый жесткий линк; см.ниже), а заодно повысить эффективность функционирования системы.

Классическая UFS Отводит на файл 16 байт - 14-буквенное имя файла и двухбайтный номер inode; современые UFS позволяют создавать длинные имена (до 255 символов), а имена файлов хранят не подряд, а более разумно - в двоичном дереве или hash-таблице, а номер inode может быть любым - четырехбайтным или восьмибайтным.

Сам блок inode содержит:

количество ссылок на файл - каждое имя, ссылающееся на файл, а также открытие файла увеличивают этот счетчик на единицу; файл стирается с высвобождением занятого места как только счетчик становится равным нулю (т.е. можно стереть открытый файл, а реально он сотрется когда его закроют);
размер файла;
дату и время создания, последнего изменения и последего чтения файла;
тип файла - в Unix это бывает:

обычный файл;
директория;
файл блочного устройства;
файл символьного (последовательного) устройства;
поименованный пайп (название происходит от символа " | ", называемого "pipe" - см.его значение в shell);
символьный линк (алиас);

обычный файл и директория встречаются во всех файловых системах; файлы устройств являются интерфейсами к драйверам этих устройств;

UID (идентификатор хозяина файла) и GID (идентификатор группы);
атрибуты доступа:

Unix использует атрибуты "Read", "Write" и "eXecute" для хозяина файла (owner), для одногрупника (group) и для остальных (other) - итого 9 бит; для директории эти атрибуты означают соответственно права на чтение списка файлов, на создание/удаление файлов и на обращение к файлам внутри директории;

важной особенностью является то, что права доступа для хозяина определяются атрибутами для него, права для одногрупника и остальных для хозяина игнорируются; аналогично для одногркпника не играют никакой роли права для остальных;

кроме них есть атрибуты SetUID и SetGID - для запускаемого файла (не интерпретируемого) эти атрибуты определяют запуск процесса под правами не запустившего их пользователя, а хозяина и/или группы файла соотвнтственно;
и еще есть один атрибут - для директории он запрещает стирание файлов, не принадлежащих стирающему;

расширенный ACL (Access Control List, Список Управления Доступом) или ссылку на ACL, если файловая система поддерживает ACL;
несколько (в классической UFS - 13) ссылок на кластеры файловой системы (раскладка приведена для классической UFS):

первые 10 указывают на первые 10 кластеров файла;
11-й указывает на кластер, содержащий адреса следующих 128-ми кластеров файла (в классической UFS размер кластера - полкилобайта, а адрес кластера - четыре байта);
12-й указывает на кластер, содержащий адреса 128-ми кластеров, в свою очередь содержащих адреса следующих 16`384-рех кластеров файла;
последний указывает на кластер, ... вобщем, здесь используется еще на один уровень больше, что позволяет адресовать еще 2`097`152 кластера файла;

итого получается 2`113`674 кластера по полкилобайта - чуть более гигабайта в файловой системе, способной работать с томами до двух терабайт (2 ^32 кластеров по полкилобайта).

В современных UFS многое изменено: можно задавать произвольный размер кластера и использовать 64-битные указатели, так что ограничени классической UFS давно преодолены. Основное преимущество такой адресации в том, что маленькие файлы, к которым часто обращаются, достижимы прямо из inode, и так же быстро происходит обращение к началу большого файла; обращение в середину и конец большого файла происходят медленнее, чем в начало, но я не представляю, как можно обеспечить бОльшую скорость, не налагая жесткого требования заведомой дефрагментированности файла или хотя бы таблицы размещения его кластеров.

Во многих UFS если после создания файла в кластер ничего не писалось (например, после открытия файла переместили указатель далеко-далеко и что-то туда записали), то под этот кластер не отводится место, а ссылке, которая должна на него указывать, присваивается 0 (это особенно актуально в свете использования hash-таблиц, которые обычно имеют внутри себя пустое пространство). То же самое делается если кластер оказывается заполнен нулями (незаполненное место считается залитым нулями, хотя полагаться на это программисту я бы не советовал). По-моему, неплохой способ экономии места.

Часть систем UFS реализованы как отказоустойчивые с журналированием, а часть по традиции обходится без этого - считается, что если на машине хранятся действительно важные данные, то эту машину можно обеспечить бесперебойным питанием и не подпускать к ней ламеров.

Сведений об устройстве файловой системы NetWare у мня нет - знаю лишь, что она какая-то своя, естественно, более эффективная, чем FAT, и имеет более сложные ACL, чем классический Unix с его "rwx" для owner, group и other.

Мы привыкли к таким терминам, как “файл” и “папка” или “директория”. Но что это за механизм, который управляет файлами, проводит их аудит и контролирует их перемещение?

Образно, систему хранения файлов на диске можно сравнить с огромным и хаотично устроенным складским помещением, в который постоянно завозится новый товар. Имеется управляющий складом, который точно знает где расположен какой товар и как быстро к нему получить доступ. Такими управляющими в системе хранения файлов являются .

Разберемся, как работает файловая система, какие ее разновидности существуют и рассмотрим основные операции с файловой системой, влияющие на производительность системы.

Каждому файлу операционная система присваивает имя, которое подобно адресу идентифицирует его в системе. Данный путь представляет собой строку, в начале которой указывается логический диск, на котором хранится файл, а затем последовательно отображаются все папки по степени их вложенности.

Когда какой-либо программе требуется файл, она отправляет операционной системе запрос, который обрабатывается файловой системой Windows. По полученному пути система получает адрес места хранения файла (физическое расположение) и передает его программе, отправившей запрос.

Таким образом, файловая система имеет свою собственную базу данных, которая с одной стороны устанавливает соответствие между физическим адресом файла и его путем, с другой стороны хранит дополнительные атрибуты файла, такие как размер, дата создания, права доступа к файлу и другие.

В файловых системах FAT32 и NTFS, такой базой данных является Главная Файловая Таблица (MFT – Master File Table).

Что на самом деле происходит при перемещении, копировании и удалении файлов?

Как бы это не казалось странным, но не все операции с файлами и папками ведут к физическим изменениям на жестком диске. Некоторые операции только вносят изменения в MFT, а сам файл остается на том же месте.

Давайте подробно разберем процесс работы файловой системы при выполнении основных операций с файлами. Это поможет нам понять, как происходит “засорение” ОС, почему некоторые файлы загружаются очень долго, что нужно предпринять, чтобы повысить быстродействие операционной системы.

1. Перемещение файла : данная операция подразумевает смену одного пути на другой. Следовательно, необходимо изменить только запись в Главной Файловой Таблице, а сам файл физически перемещать нет необходимости. Он остается на прежнем месте в неизменном виде.

2. Копирование файла : данная операция подразумевает создание еще одной дополнительной реализации файла на новом месте. При этом происходит не только создание записи в MFT, но и появление еще одной реальной копии файла на новом месте.

3. Удаление файла : в данном случае файл сначала помещается в Корзину. После вызова функции “Очистить” Корзину, файловая система удаляет запись из MFT. При этом файл физически не удаляется, он остается на своем прежнем месте месте. И будет существовать, пока его не перезапишут. Эту особенность следует учитывать при удалении конфиденциальных файлов: лучше использовать для этого специальные программы.

Теперь становится понятно, почему операция перемещения происходит быстрее, чем операция копирования. Повторюсь, во втором случае требуется помимо внесения изменений в Главную Файловую Таблицу дополнительно создать еще и физическую копию файла.

Какие типы файловых систем существуют?

1. FAT16 (File Allocated Table 16) . Устаревшая файловая система, которая могла работать только с файлами размером не больше 2 Гб, поддерживала жесткие диски емкостью не более 4 Гб, и могла хранить и обрабатывать не более 65636 файлов. С развитием технологий и ростом потребностей пользователей данную файловую систему заменила NTFS.

2. FAT32 . С ростом объема данных, хранимых на носителях информации, была разработана и введена новая файловая система Windows, которая стала поддерживать файлы размером до 4 Гб и установила предельную емкость жесткого диска на планке 8 Тб. Как правило, в настоящее время FAT32 используется только на внешних носителях информации.

3. NTFS (New Technology File System) . Это стандартная файловая система, устанавливаемая на все современные компьютеры с операционной системой Windows. Максимальный размер файла, обрабатываемый данной файловой системой, 16 Тб; максимально поддерживаемый размер жесткого диска – 256 Тб.

Дополнительной функцией NTFS является журналирование своих действий. Первоначально все изменения заносятся в специально отведенную для это область, а лишь затем они прописываются в файловой таблице. Что позволяет предотвратить потерю данных, например при сбоях в питании.

4. HSF+ (Hierarchical File System+) . Стандартная файловая система для компьютеров с операционной системой MacOS. Аналогично NTFS, она поддерживает файлы большого объема и жесткие диски емкостью несколько сотен терабайт.

Чтобы поменять файловую систему, придется отформатировать раздел жесткого диска. Как правило, эта операция подразумевает полное удаление всей имеющейся информации на данном разделе.

как узнать тип файловой системы?

Самый простой способ: откройте “Проводник файлов” –> выберите интересующий вас раздел жесткого диска –> кликните по нему правой кнопкой мыши –> в появившемся меню выберите пункт “Свойства” –> в открывшемся окошке выберите вкладку “Общие”.

Обслуживание файловой системы Windows

Следует отметить, что файловая система не следит за “порядком” на жестком диске. ОС Windows устроена таким образом, что она сохраняет новые файлы в первой попавшейся незанятой ячейке. При этом если файл не помещается целиком в эту ячейку, то он делится на несколько частей (фрагментируется). Соответственно время доступа и открытия такого файла увеличивается, что сказывается на общей производительности системы.

Чтобы этого не допустить, и “навести порядок” в файловой системе, необходимо регулярно производить дефрагментацию разделов жесткого диска.

Для этого опять зайдите в свойства интересующего вас раздела жесткого диска (как это описано выше), перейдите на вкладку “Сервис” и нажмите на кнопку “Выполнить дефрагментацию”.

В открывшемся окошке можно настроить операцию автоматической дефрагментации дисков.

Чтобы осуществить дефрагментацию самостоятельно, укажите раздел жесткого диска, нажмите кнопку “Анализировать диск” –> а затем “Дефрагментация диска”.

Дождитесь завершения операции и закройте окошко.

Должно быть, вы уже неоднократно слышали о таких файловых системах, как FAT32, NTFS и exFAT . Но в чем же между ними разница? Каждый тип обладает своим собственным набором плюсов и минусов. Именно поэтому нет единого варианта. В этой статье мы разберем основные отличия трех файловых систем.

Говоря об операционной системе Windows, мы точно знаем, что она устанавливается только на логический раздел формата NTFS. Съемные накопители и другие устройства хранения, основанные на USB-интерфейсе, используют тип FAT32.

Одним из форматов, которые можно использовать для форматирования Flash-накопителей, является exFAT — преемник старой файловой системы FAT32.

Таким образом, мы имеем три основных формата хранения данных, повсеместно используемых как для Windows, так и для разного рода носителей информации.

Что такое файловая система

Файловая система представляет из себя набор правил, определяющих то, как хранятся и извлекаются документы, хранящиеся на устройстве. Это может быть жесткий диск, Flash-накопитель или SD-карта.

Для большего понимания, приведем как пример офис обычной компании. Фрагменты установленных документов хранятся в определенном месте, допустим, в ящике стола. И при необходимости открыть их, файловая система обращается к файлам в попытке считать информацию.

Полезные статьи

Предположим на секунду, что такая система вышла из строя и сразу же получим огромное количество неопознанных данных, изучить которые не будет никакой возможности.

На самом деле существует большое количество файловых систем, например Flash File System, Tape File System и Disk File System, однако мы остановимся только на основных — FAT32 , NTFS и exFAT .

Что такое FAT32

Файловая система FAT32 является самой старой и опытной в истории компьютерных технологий. Ее путь начался с оригинальной 8-битной системы FAT в 1977 году, которая функционировала внутри автономного диска Microsoft Standalone Disk Basic-80 . Он был запущен специально для Intel 8080 NCR 7200 в 1977/1978 году, работая терминалом ввода данных с 8-дюймовыми гибкими дисками.

После обсуждений о введении системы с учредителем Microsoft Биллом Гейтсом, код был написан первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом.

Основной задачей файловой системы FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS, написанной Марком Макдональдом.

В дальнейшем FAT претерпела некоторые изменения, постепенно переходя от своего первоначального вида к FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, название которой теперь тесно ассоциируется с внешними накопителями.

Основным отличием FAT32 от ее предшественников является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. 32-разрядная система была выпущена в августе 1995 года вместе с релизом Windows 95 и в своем обновленном варианте позволила увеличить верхние пределы размера файлов и хранилища данных до 4 Гб и 16 Тб.

Таким образом, FAT32 не предназначена для хранения больших объемов данных и установки тяжелых приложений. Именно по этой причине на жестких дисках используется файловая система NTFS , которая позволяет пользователям перестать думать о загружаемых объемах информации.

Резюмируя, система FAT32 идеально подойдет для хранения данных, объем которых не превышает 4 Гб, на любых съемных носителях. Ее популярность не ограничивается только компьютерной сферой. Она используется в игровых консолях, телевизорах с высокой четкостью изображения, DVD-проигрывателях, Blu-Ray плеерах и любых других устройствах с USB-портом. FAT32 поддерживают все версии Windows, Linux и MacOS.

Что такое NTFS

В 1993 году компания Microsoft представила новую файловую систему NTFS (New Technology File System) параллельно с появление операционной системы Windows NT 3.1.

Главной особенностью системы NTFS является отсутствие каких-либо ограничений на размеры загружаемых файлов. Даже в случае попытки превзойти этот лимит, мы бы потерпели неудачу — настолько он велик.

Разработка началась в середине 1980-х годов в период сотрудничества Microsoft и IBM, целью которого было создание новой операционной системы, превосходящей предыдущие по графической производительности.

Тем не менее, союз двух компаний не был долог и, не завершив общий проект, они приняли решение прекратить сотрудничество. Впоследствии Microsoft и IBM сконцентрировались на производстве собственных файловых систем.

Для компьютерных технологий 1989 год ознаменовался созданием HPFS от IBM, которая использовалась для операционной системы OS/2. Несколькими годами позже, в 1993, компания Microsoft запустила NTFS v1.0 , которая стала официальной файловой системой для Windows NT 3.1.

Теоретический размер файла NTFS — 16 Эб — 1 Кб, что составляет 18 446 744 073 709 550 502 байта. В команду разработчиков входили Том Миллер, Гарри Кимуру, Брайан Эндрю, Девид Гебель.

Следующей версией файловой системы стала NTFS v3.1 , запущенная специально для Microsoft Windows XP. В дальнейшем она не претерпевала особых изменений, хотя в нее и было внесено множество различных дополнений. Например, появилась возможность сжатия логических разделов, восстановление и символические ссылки NTFS. Кроме того начальная емкость файловой системы составляла всего 256 Мб из колоссальных 16 Эб — 1 Кб в новых версиях, запущенных с выходом Windows 8.

Говоря о полезных функциях, внедренных в NTFS v3.1, можно отметить расширение поддерживаемых форматов файлов, квоты использования диска, шифрование файлов и создание точек повторной обработки. Примечательным является тот факт, что новые версии NTFS полностью совместимы с предыдущими.

Файловая система NTFS имеет важную особенность, когда дело доходит до ее восстановления, вследствие каких-либо повреждений. Она содержит в себе определенную структуру данных, которая отслеживает любые изменения в системе и с помощью которой всегда можно вернуть работоспособность NTFS.

Данная файловая система поддерживается всеми версиями Windows, начиная с Windows XP. К сожалению, MacOS не разделяет стремление к совместимости, продвигаемое Microsoft. Apple оставили для пользователей возможность чтения данных с дисков NTFS, однако записывать на них не получится. Поддержка данной файловой системы от Linux ограничивается лишь несколькими ее версиями.

Что такое exFAT

ExFAT (Extended FAT) — новая, расширенная файловая система от Microsoft, которая с успехом заменяет своего предшественника на поле, когда дело доходит до больших объемов информации.

Как вы наверняка знаете, большинство современных цифровых фотокамер используют систему exFAT, поскольку она существенно легче NTFS, но, в то же время, позволяет сохранять файлы размером более 4 Гб, в отличие от FAT32.

Таким образом, копируя на Flash-накопитель с файловой системой exFAT документ размером 6 Гб, вы не столкнетесь с негативными последствиями, которые можно наблюдать, используя предшествующую версию системы.

Формат exFAT набирает все большую популярность и используется преимущественно с высокоемкими картами памяти SDXC. Основной причиной тому является небольшой размер файловой системы и, как ранее описывалось, возможность сохранять документы объемом более 4 Гб.

Интересным будет факт, что Microsoft хранит патент США 8321439, позволяющий быстро найти файл при помощи хэша имени. Благодаря данной функции, любой документ можно найти в разы быстрее.

Стоит отметить, что для файловой системы exFAT не было выпущено всех доступных дополнений в общий доступ. Для их приобретения поставщики обязаны приобрести ограниченную лицензию от Microsoft.

Данное действие было предпринято для того, чтобы поставщики не пытались монетизировать продукт Microsoft, отмечая себя частью компании, поскольку они имели бы в наличии исходный код файловой системы.

Поскольку Microsoft неизменны в своем упрямстве, многие пользователи занялись созданием собственными модификациями exFAT, одной из которых стала exfat-fuse . Она обеспечивает операции чтения и записи для дистрибутивов Linux, включая FreeBSD.

Созданная в 2006 году файловая система exFAT, имеющая общий предел объема информации, что и NTFS, является более легкой, поскольку не содержит в себе всевозможных дополнений, как вторая.

ExFAT поддерживает функции чтения, записи и совместима с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

Сравнение файловых систем

FAT32:

Совместимость: Windows, MacOS, Linux, игровые консоли и устройства с USB-портом.
Плюсы: кросс-платформенная совместимость, легкая файловая система.
Минусы: ограничения в размерах файлов (доступны документы до 4 Гб) и размеры разделов до 16 Тб.
Назначение: съемные накопители. Используется для форматирования Flash-накопителей, однако exFAT предпочтительнее.

NTFS:

Совместимость: Windows, MacOS (доступно только чтение), Linux (только чтение для некоторых дистрибутивов), Xbox One.
Плюсы: отсутствие ограничений по размеру файлов и разделов.
Минусы: ограниченная межплатформенная совместимость.
Назначение: хорошо подходит для внутренних жестких дисков, поскольку позволяет хранить информацию большого объема, справиться с которым другие файловые системы не смогут.

exFAT:

Совместимость: Windows XP и более поздние версии, MacOS 10.6.5 и выше, Linux (с использованием FUSE), Android.
Плюсы: имеет общие положительные эффекты от FAT32 и NTFS, которые включают в себя возможность хранения файлов, размером свыше 4 Гб.
Минусы: Microsoft ограничивают использование лицензии.
Назначение: позволяет исключить ограничения по размеру файлов для съемных накопителей. Гораздо предпочтительнее своего предшественника FAT32.

В случае необходимости восстановить логический раздел с неизвестной, поврежденной или удаленной файловой системой — вам помогут инструменты Starus Recovery.

Инструмент Starus Partition Recovery , или его аналоги, Starus FAT Recovery, Starus NTFS Recovery, предназначены для работы с определенными файловыми системами - FAT и NTFS. Основной софт способен взаимодействовать с обоими. Cкачать и опробовать программы для восстановления файловых систем FAT32 и NTFS можно совершенно бесплатно!

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.

В настоящее время компьютерный рынок предлагает множество возможностей хранения огромного количества личной или корпоративной информации в цифровой форме. Устройства хранения включают в себя внутренние и внешние жесткие диски, флэш-накопители USB, карты памяти фото / видеокамер, сложные RAID-системы и т. д. Фактические документы, презентации, изображения, музыка, видео, базы данных, электронные сообщения хранятся в виде файлов, которые могут занимать много места.

В этой статье представлено подробное описание того, как информация хранится на устройстве хранения.

Любой компьютерный файл хранится в хранилище с заданной емкостью. Фактически, каждое хранилище представляет собой линейное пространство для чтения или считывания и записи цифровой информации. Каждый байт информации в хранилище имеет свое собственное смещение от начала хранения (адрес) и ссылается на этот адрес. Хранилище может быть представлено в виде сетки с набором пронумерованных ячеек (каждая ячейка представляет собой один байт). Любой файл, который сохраняется в хранилище, получает эти ячейки.

Как правило, в компьютерных хранилищах используется пара секторов и смещение в секторе для ссылки на любой байт информации в хранилище. Сектор представляет собой группу байтов (обычно 512 байт), минимальную адресуемую единицу физического хранилища. Например, 1040 байт на жестком диске будет упоминаться как сектор № 3 и смещение в секторе 16 байт ([сектор - 512] + [сектор - 512] + ). Эта схема применяется для оптимизации адресации хранилища и использования меньшего числа для ссылки на любую часть информации в хранилище.

Чтобы опустить вторую часть адреса (смещение в секторе), файлы обычно хранятся, начиная с начала сектора и занимая целые сектора (например, 10-байтовый файл занимает весь сектор, 512-байтовый файл также занимает весь сектор, в то же время 514-байтовый файл занимает два целых сектора).

Каждый файл хранится в «неиспользуемых» секторах и может быть прочитан по известному положению и размеру. Однако, как мы узнаем, какие сектора используются, а какие нет? Где хранятся размер, положение и имя файла? Эти ответы даются файловой системой.

В целом файловая система представляет собой структурированное представление данных и набор метаданных, описывающих сохраненные данные. Файловая система служит для хранения всего хранилища, а также является частью изолированного сегмента хранения - раздела диска. Обычно файловая система управляет блоками, а не секторами. Блоки файловой системы представляют собой группы секторов, которые оптимизируют адресацию хранилища. Современные файловые системы обычно используют размеры блоков от 1 до 128 секторов (512-65536 байт). Файлы обычно хранятся в начале блока и занимают целые блоки.

Огромные операции записи / удаления в файловой системе приводят к фрагментации файловой системы. Таким образом, файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Например, хранилище целиком занимают файлы размером около 4 блоков (например, коллекция изображений). Пользователь хочет сохранить файл, который займет 8 блоков и, следовательно, удалит первый и последний файлы. Делая это, он очищает пространство на 8 блоков, однако первый сегмент близок к началу хранения, а второй - к концу хранилища. В этом случае файл с 8 блоками разбивается на две части (по 4 блока для каждой части) и занимает «дыры» свободного пространства. Информация об обоих фрагментах как части одного файла хранится в файловой системе.

В дополнение к файлам пользователя файловая система также содержит свои собственные параметры (например, размер блока), дескрипторы файлов (включая размер файла, местоположение файла, его фрагменты и т. д.), Имена файлов и иерархию каталогов. Он также может хранить информацию о безопасности, расширенные атрибуты и другие параметры.

Чтобы соответствовать различным требованиям, таким как производительность, стабильность и надежность хранилища, большое количество файловых систем разработано для обслуживания определенных пользовательских целей.

Файловые системы Windows

ОС Microsoft Windows использует две основные файловые системы: FAT, унаследованные от старой DOS с ее более поздним расширением FAT32 и широко используемыми файловыми системами NTFS. Недавно выпущенная файловая система ReFS была разработана Microsoft как файловая система нового поколения для серверов Windows 8, 10.

FAT (таблица распределения файлов) - один из простейших типов файловых систем. Он состоит из сектора дескриптора файловой системы (загрузочного сектора или суперблока), таблицы распределения блоков файловой системы (называемой таблицей распределения файлов) и простого пространства для хранения файлов и папок. Файлы в FAT хранятся в каталогах. Каждый каталог представляет собой массив из 32-байтных записей, каждый из которых определяет файлы или расширенные атрибуты файла (например, длинное имя файла). Запись файла присваивает первый блок файла. Любой следующий блок можно найти через таблицу распределения блоков, используя его как связанный список.

Таблица распределения блоков содержит массив дескрипторов блоков. Значение «ноль» указывает, что блок не используется, а значение отличное от нуля относится к следующему блоку файла или специальному значению для конца файла.

Числа в FAT12, FAT16, FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. Это означает, что FAT12 может использовать до 4096 различных ссылок на блоки, в то время как FAT16 и FAT32 могут использовать до 65536 и 4294967296 соответственно. Фактическое максимальное количество блоков еще меньше и зависит от реализации драйвера файловой системы.

FAT12 использовался для старых дискет. FAT16 (или просто FAT) и FAT32 широко используются для карт флэш-памяти и USB-флеш-накопителей. Система поддерживается мобильными телефонами, цифровыми камерами и другими портативными устройствами.

FAT или FAT32 - это файловая система, которая используется в Windows-совместимых внешних хранилищах или дисковых разделах с размером менее 2 ГБ (для FAT) или 32 ГБ (для FAT32). Windows не может создать файловую систему FAT32 более чем на 32 ГБ (однако Linux поддерживает FAT32 до 2 ТБ).

NTFS (новая технологическая файловая система) была представлена в Windows NT и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Это файловая система по умолчанию для дисковых разделов и единственная файловая система, которая поддерживает разделы диска по 32 ГБ. Файловая система довольно расширяема и поддерживает многие свойства файла, включая контроль доступа, шифрование и т. д. Каждый файл в NTFS хранится в виде файлового дескриптора в таблице основных файлов и содержимом файла. Таблица главного файла содержит всю информацию о файле: размер, распределение, имя и т. д. В первом и последнем секторах файловой системы содержатся параметры файловой системы (загрузочная запись или суперблок). Эта файловая система использует 48 и 64-битные значения для ссылок на файлы, тем самым поддерживая дисковые хранилища с большой емкостью.

ReFS (Resilient File System) - последняя разработка Microsoft, доступная в настоящее время для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы абсолютно отличается от других файловых систем Windows и в основном организована в виде B + -tree. ReFS обладает высокой устойчивостью к отказам из-за новых функций, включенных в систему, а именно, Copy-on-Write (CoW): никакие метаданные не изменяются без копирования; данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих данных. При любых модификациях файлов новая копия метаданных хранится в свободном пространстве для хранения, а затем система создает ссылку из старых метаданных в более новую. Таким образом, система хранит значительное количество старых резервных копий в разных местах, обеспечивая легкое восстановление файлов, если это место для хранения не перезаписано.

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления ».

Файловые системы MacOS

Операционная система Apple MacOS применяет две файловые системы: HFS +, расширение к своей собственной файловой системе HFS, используемой на старых компьютерах Macintosh, и недавно выпущенную APFS.

Файловая система HFS + работает под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также продукты Apple X Server. В расширенных серверных продуктах также используется файловая система Apple Xsan, кластерная файловая система, созданная из файловых систем StorNext или CentraVision.

Эта файловая система хранит файлы и папки и информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т. д.

Файловые системы Linux

ОС Linux с открытым исходным кодом нацелена на внедрение, тестирование и использование различных концепций файловых систем.

Самые популярные файловые системы Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 - «родная» файловая система Linux. Эта файловая система подпадает под активные разработки и улучшения. Файловая система Ext3 - это просто расширение Ext2, которое использует операции записи транзакций с журналом. Ext4 является дополнительной расширенной разработкой Ext3, с поддержкой оптимизированной информации о распределении файлов (экстентов) и расширенных атрибутов файлов. Эта файловая система часто используется как «корневая» файловая система для большинства установок Linux.
ReiserFS - альтернативная файловая система Linux для хранения огромного количества небольших файлов. Она имеет хорошие возможности поиска файлов и позволяет компактно распределять файлы, сохраняя хвосты файлов или небольшие файлы вместе с метаданными, чтобы не использовать большие блоки файловой системы для той же цели.
XFS - файловая система, созданная компанией SGI и первоначально использовавшаяся для серверов IRIX компании. Теперь спецификации XFS реализованы в Linux. Файловая система XFS имеет отличную производительность и широко используется для хранения файлов.
JFS - файловая система, разработанная IBM для мощных вычислительных систем компании. JFS1 обычно обозначает JFS, JFS2 - вторая версия. В настоящее время эта файловая система является с открытым исходным кодом и реализована в большинстве современных версий Linux.

Концепция «жесткой связи », используемая в таких операционных системах, делает большинство файловых систем Linux одинаковыми, поскольку имя файла не рассматривается как атрибут файла и скорее определяется как псевдоним для файла в определенном каталоге. Объект файла можно связать со многими местоположениями, даже размножаться из одного и того же каталога под разными именами. Это может привести к серьезным и даже непреодолимым трудностям при восстановлении имен файлов после удаления файлов или повреждения файловой системы.

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу « ».

Файловые системы BSD, Solaris, Unix

Наиболее распространенной файловой системой для этих операционных систем является UFS (Unix File System), также часто называемая FFS (Fast File System).

В настоящее время UFS (в разных версиях) поддерживается всеми операционными системами семейства Unix и является основной файловой системой ОС BSD и операционной системы Sun Solaris. Современные компьютерные технологии, как правило, реализуют замены для UFS в разных операционных системах (ZFS для Solaris, JFS и производных файловых систем для Unix и т. д.).

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу « ».

Кластерные файловые системы

Кластерные файловые системы используются в компьютерных кластерных системах. Эти файловые системы поддерживают распределенное хранилище.

Распределенные файловые системы включают:

ZFS - «Zettabyte File System» - новая файловая система, разработанная для распределенных хранилищ Sun Solaris OS.
Apple Xsan - эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних файловых системах StorNext.
VMFS - «Файловая система виртуальных машин», разработанная компанией VMware для своего VMware ESX Server.
GFS - Red Hat Linux «Глобальная файловая система».
JFS1 - оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX.

Общие свойства этих файловых систем включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность.

Для получения дополнительной информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу « ».