Файловая система FAT и управление данными в MS-DOS

Общая характеристика системы FAT

Система FAT была разработана для ОС MS-DOS. Это простая файловая система с сегментированным размещением, без многопользовательской защиты. Структура каталогов – древовидная, причем на каждом дисковом томе создается отдельное дерево. Для указания местоположения файла может использоваться его полное имя, содержащее букву диска, путь по дереву каталогов и собственно имя файла, например: «C:\UTILS\ARCH\RAR.EXE».

В ОС Windows также возможно использование FAT, особенно оправданное для дискет. Для жестких дисков большого объема система FAT становится малоэффективной и постепенно вытесняется более мощной системой NTFS.

Структуры данных на диске

При форматировании дискеты или раздела жесткого диска в системе FAT все дисковое пространство разбивается на следующие области, показанные на рис. 3‑2.

Рис. 3‑2

· BOOT-сектор содержит основные количественные параметры дискового тома и файловой системы, а также может содержать программу начальной загрузки ОС.

· таблица FAT (File Allocation Table) – содержит информацию о размещении файлов и свободного места на диске. Ввиду критической важности этой таблицы она всегда хранится в двух экземплярах, которые должны быть идентичны[4]. Каждая операция, изменяющая содержимое FAT, должна одинаковым образом изменять оба экземпляра.

· ROOT – корневой каталог системы, содержащий данные о файлах и о подкаталогах верхнего уровня, каждый из которых в свою очередь может содержать файлы и подкаталоги.

· Область данных – массив кластеров, содержащий все файлы и все каталоги (кроме корневого).

Рассмотрим подробно, как хранится вся информация о файле, имеющаяся в системе FAT.

При создании файла в одном из каталогов файловой системы создается запись, хранящая основной объем информации об этом файле. Каждый каталог, кроме корневого, также является файлом особого вида, и запись о нем содержится в родительском каталоге. Каталожная запись всегда занимает 32 байта, ее структура показана в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Структура записи каталога файловой системы FAT

Поле записи	Размер поля (в байтах)
Имя файла
Расширение имени (тип файла)
Атрибуты (флаги)
Размер файла (в байтах)
Дата последнего изменения
Время последнего изменения
Резерв (не используется)
Номер первого кластера файла

 

Как видно из таблицы, имя файла может занимать не более 8 символов плюс еще 3 символа расширения. В начале 80-х годов казалось, что этого вполне достаточно. Позднее это ограничение окрестили «проклятием 8 + 3», и избавить от него файловую систему FAT удалось только в Windows 95.

Байт атрибутов содержит набор битов, характеризующих свойства файла. Наряду с практически бесполезными атрибутами «скрытый», «системный» и «архивный», там содержатся и важные: «только для чтения», «каталог» и «метка тома». Атрибут «только для чтения» запрещает системе удалять файл или открывать его для записи. Атрибут «каталог» означает, что данная запись описывает не обычный файл, а каталог. Атрибут «метка тома» может содержаться только в корневом каталоге, такая запись не описывает никакой файл, а вместо этого содержит в полях имени и расширения 11-символьную метку (имя), присвоенную данному дисковому тому.

В целом, запись каталога содержит почти все, что системе известно о файле, а если размер файла не превышает одного кластера, то полностью все. Если же файл содержит более одного кластера, то номера остальных можно найти в таблице FAT.

Таблица FAT состоит из записей, количество которых равно количеству кластеров в области данных, а размер одной записи может быть равен 12, 16 или 32 битам. Соответственно говорят о разновидностях файловой системы FAT-12, FAT-16 или FAT-32. Размер записи должен быть таким, чтобы в ней можно было записать максимальный номер кластера. Например, для стандартной трехдюймовой дискеты емкостью 1.44 Мб достаточно использовать FAT-12, поскольку это позволяет иметь 2¹² = 4096 кластеров (на самом деле, чуть меньше), и даже при кластерах размером в 1 сектор (512 байт) этого более чем достаточно: 4096 ´ 512 = 2 Мб.

Записи FAT «по историческим причинам» нумеруются, начиная с 2 и кончая максимальным номером кластера, каждая запись FAT описывает соответствующий кластер с тем же номером. Запись может принимать следующие значения:

· если кластер принадлежит некоторому файлу (или каталогу) и является последним (или единственным) в этом файле, то запись FAT содержит специальное значение – все единицы (FFF₁₆ для FAT-12 или FFFF₁₆ для FAT-16);

· если кластер принадлежит некоторому файлу (или каталогу), но не является последним в файле, то запись FAT содержит номер следующего кластера того же файла;

· если кластер свободен, то запись содержит все нули;

· если кластер дефектный (т.е. при проверке диска выяснилось, что данный кластер содержит хотя бы один дефектный сектор), то запись содержит специальное значение FF7₁₆ для FAT-12 или FFF7₁₆ для FAT-16.

Теперь мы знаем, каким образом в системе FAT хранится информация о размещении сегментированного файла. Номер первого кластера файла хранится в записи каталога, а остальные кластеры можно последовательно определить по записям таблицы FAT.

В каждом каталоге, кроме корневого, первые две записи содержат специальные имена: имя «.» означает сам данный каталог, имя «..» – родительский каталог.

Создание и удаление файла

Чтобы завершить изучение структур данных системы FAT, рассмотрим, как изменяются эти структуры при операциях создания и удаления файла.

Когда ОС выполняет функцию создания файла с заданным именем в заданном каталоге, то она, прежде всего, находит данный каталог в дереве каталогов файловой системы. (Как она его находит – опустим для краткости. Попробуйте разобраться сами.) Прочитав каталог, система проверяет, нет ли в нем уже записи с заданным именем (т.е. нет ли уже такого файла). Если есть, то не установлен ли у этого файла атрибут «только для чтения»? Если установлен, то новый файл создан быть не может, предварительно надо снять атрибут. Если не установлен, то старый файл удаляется. Затем система находит в каталоге свободную запись. Если в каталоге нет свободного места, то он может быть увеличен еще на один кластер, этот факт отражается в таблице FAT. Наконец, найдя свободное место, система заполняет поля записи о новом файле: его имя и расширение, дату и время последнего изменения, атрибуты. Размер и номер первого кластера устанавливаются нулевыми, т.к. файл пока что не содержит данных.

В дальнейшем, при выполнении первой операции записи в файл, система найдет любой свободный кластер по таблице FAT, отметит его в FAT как последний кластер файла, заполнит номер первого кластера в каталожной записи, выполнит запись и занесет количество записанных байт в поле размера файла в каталоге.

При удалении файла прежде всего по каталожной записи проверяется, можно ли его удалить (не установлен ли атрибут «только для чтения»), а затем делаются две вещи:

· первый байт имени удаляемого файла заменяется на специальный символ с кодом E5₁₆ (он отображается как русская буква «х»; вероятно, разработчики системы FAT считали, что этот код не может встретиться в имени файла);

· все записи таблицы FAT, соответствующие кластерам удаляемого файла, заполняются нулями, т.е. кластеры объявляются свободными.

Как видно из описанной процедуры, в момент удаления файла его данные не стираются с диска, однако информация о размещении файла портится. Если размер файла превышал один кластер, то нет гарантии, что его удастся восстановить в случае нечаянного удаления, даже если пользователь спохватится сразу же.

Работа с файлами в MS-DOS

Системные функции

Для работы с файлами и каталогами системы FAT в MS-DOS предусмотрен достаточно богатый набор функций. Все они вызываются с помощью команды программного прерывания int 21h, а конкретная функция определяется числом, занесенным в регистр AH. Эти функции позволяют, в частности:

· создавать файл, указывая его полное имя;

· удалять файл;

· изменять атрибуты файла;

· переименовывать файл или перемещать его в другой каталог того же диска[5];

· искать в заданном каталоге все файлы, имена которых соответствуют заданному шаблону (например, шаблону «XYZ??.C*» соответствуют все файлы, имена которых начинаются с «XYZ» и содержат ровно 5 символов, а расширение начинается с буквы «C»);

· создавать и удалять каталоги;

· задавать текущий диск и текущий каталог;

· открывать файл, получая доступ к его данным, и закрывать файл.

Доступ к данным

В MS-DOS существует два различных набора функций, позволяющих работать с данными файлов. Один из них, основанный на использовании блока управления файлом (FCB), вряд ли кем-то использовался в последние 20 лет, однако сохраняется из соображений совместимости с версией MS-DOS 1.0. Общепринятый метод работы с файлами основан на использовании хэндлов[6].

Чтобы открыть существующий файл, следует вызвать соответствующую функцию, указав в качестве параметров имя файла и желаемый режим доступа (один из трех: только чтение, только запись, чтение и запись). В более поздних версиях MS-DOS появилась также возможность указывать режим разделения, как рассмотрено в п.3.5. Любой файл рассматривается как последовательность байт, а если программа предпочитает рассматривать файл как набор записей, то она должна сама вести пересчет номера записи в смещение (в байтах) от начала файла. Операции чтения и записи всегда выполняются от текущей позиции, которая называется указателем чтения/записи, и приводят к смещению указателя вперед на прочитанное или записанное количество байт. Возможность произвольного доступа к данным обеспечивается операциями перемещения указателя.

Хэндл – это некоторое число, которое система возвращает пользовательской программе при удачном выполнении операции открытия или создания файла. Значение этого числа не играет роли для программы. Важно лишь то, что при последующих обращениях к открытому файлу программа должна передавать этот хэндл системе как указатель на этот файл.

MS-DOS предоставляет вполне достаточный набор функций для работы с открытыми файлами. Сюда включаются функции чтения и записи произвольного числа байт, функция перемещения указателя в произвольную точку файла, функции установки и снятия блокировки фрагментов файла, принудительной очистки кэш-буферов файла (обычно очистка выполняется только при закрытии файла или при нехватке буферов, см. п.2.6.6; принудительная очистка гарантирует немедленное сохранение изменений на диске).

При вызове функции открытия файла можно вместо имени файла указать имя любого символьного устройства, например, «PRN:». При этом также возвращается хэндл, с которым можно выполнять операции записи так же, как если бы этот хэндл указывал на дисковый файл. Разумеется, нельзя открыть принтер для чтения, а также нельзя выполнять перемещение указателя назад.

При запуске любой программы она получает «в подарок» от MS-DOS пять уже открытых хэндлов с номерами от 0 до 4. Из них наиболее важными являются хэндл 0, который по определению указывает на стандартный ввод программы, и хэндл 1 – стандартный вывод. Хэндл 2 означает стандартное устройство для вывода сообщений об ошибках, хэндл 3 – стандартное устройство последовательного ввода/вывода (COM-порт), хэндл 4 – стандартный принтер.

Выше, в п. 2.2, давалось иное определение стандартного ввода и вывода, как устройств, используемых «по умолчанию». Здесь нет противоречия. Компиляторы языков программирования, встречая вызовы процедур ввода/вывода без указания файла, транслируют их в вызовы системных функций MS-DOS с хэндлами, соответственно, 0 или 1.

Если программа запускается из командной строки MS-DOS, то обычно хэндл 0 указывает на клавиатуру (точнее, на устройство CON:), а хэндл 1 – на экран монитора (тоже устройство CON:, но работающее на вывод). Однако пользователь может использовать символы перенаправления стандартного ввода (знак «<») и вывода (знаки «>» и «>>»). Например, программа, запущенная при помощи команды «MY_PROG <INFILE.TXT >PRN» будет использовать в качестве стандартного ввода файл INFILE.TXT, а стандартный вывод направит на принтер. Знак «>>» означает добавление данных в конец файла стандартного вывода, знак «>» – перезапись файла заново. Чтобы выполнить указанное пользователем перенаправление стандартного ввода или вывода, система открывает заданный файл или устройство (а при знаке «>>» еще и выполняет перемещение указателя в конец файла) и обеспечивает доступ к нему из запускаемой программы через стандартный хэндл 0 или 1. Таким образом, работающая программа вообще не знает, какие именно устройства или файлы являются ее стандартным вводом и выводом.

Перенаправление стандартного ввода и вывода может быть выполнено и программой пользователя. Обычно это делается перед тем, как данная программа запускает какую-либо другую программу, передавая ей перенаправленные стандартные хэндлы.

Структуры данных в памяти

Для обеспечения доступа к открытым файлам MS-DOS использует системные таблицы двух типов.

Таблица SFT (System File Table) содержит записи о всех файлах, в данный момент открытых программами пользователя и самой ОС. Эта таблица хранится в системной памяти, число записей в ней определяется параметром FILES в файле конфигурации CONFIG.SYS, но не может превышать 255.

Если один и тот же файл был открыт несколько раз (неважно, одной и той же программ ой или разными программами), то для него будет несколько записей в SFT.

Каждая запись содержит подробную информацию о файле, достаточную для выполнения операций с ним. В частности, в записи SFT содержатся:

· копия каталожной информации о файле;

· адрес каталожной записи (сектор и номер записи в секторе);

· текущее положение указателя чтения/записи;

· номер последнего записанного или прочитанного кластера файла;

· адрес в памяти программы, открывшей файл;

· режим доступа, заданный при открытии.

Кроме того, в записи SFT содержится значение счетчика ссылок на данную запись из всех таблиц JFT, речь о которых пойдет ниже. Когда этот счетчик становится равным нулю, запись SFT становится свободной, поскольку файл закрыт.

В отличие от единственной SFT, таблицы JFT (Job File Table) создаются для каждой запускаемой программы, поэтому одновременно может существовать несколько таких таблиц. (А откуда в однозадачной MS-DOS могут взяться одновременно несколько программ? Простейший ответ: когда одна программа запускает другую, то в памяти присутствуют обе. Подробнее см. п. 4.4.3.) Таблица JFT имеет простейшую структуру: она состоит из однобайтовых записей, причем значение каждой записи представляет собой индекс (номер записи) в таблице SFT. Неиспользуемые записи содержат значение FF₁₆. Размер таблицы по умолчанию составляет 20 записей (байт), но может быть увеличен до 255.

Теперь о хэндлах. Прикладная программа использует хэндлы как некоторые условные номера открытых файлов, конкретное значение хэндла при этом не играет никакой роли (за понятным исключением стандартных хэндлов с 0 по 4). На самом же деле значение хэндла представляет собой не что иное, как индекс записи в таблице JFT данной программы. Первая запись таблицы соответствует хэндлу 0.

На рис. 3‑3 показана связь между хэндлами, таблицами JFT, таблицей SFT и открытыми файлами/устройствами.

Рис. 3‑3

В примере, показанном на рисунке, стандартные хэндлы процесса A используются так, как это по умолчанию делает MS-DOS: хэндлы 0, 1 и 2 указывают на запись SFT, соответствующую консольному устройству CON, хэндл 3 – на запись об устройстве COM1, хэндл 4 –на запись о принтере. У процесса B стандартный вывод перенаправлен на принтер, что отражено в значении элемента 1 из JFT этого процесса. Хэндлы 3 и 4 для процесса B не показаны, чтобы не захламлять рисунок. Остальные показанные на рисунке элементы JFT обоих процессов указывают на записи SFT, описывающие открытые файлы на дисках.

Заметим, что с файлом PICTURE.BMP связаны две записи в таблице SFT. Это означает, что данный файл был открыт в каждом процессе отдельно (но, очевидно, с использованием одного из режимов разделения файла).

Когда программа вызывает какую-либо из системных функций и передает ей значение хэндла одного из открытых файлов, то система находит адрес таблицы JFT вызвавшей программы, читает указанную хэндлом запись этой таблицы, определяет соответствующий индекс в таблице SFT и получает таким образом доступ к информации, необходимой для выполнения операции с файлом.

В чем смысл такой двухступенчатой схемы? Не проще ли было, чтобы хэндл указывал непосредственно на запись SFT? Можно привести, по крайней мере, два очевидных аргумента в пользу применения JFT.

· Что происходит с файлами при завершении программы, которая их открыла? Правила хорошего программистского тона требуют, чтобы программа перед окончанием работы закрыла за собой все файлы. Однако программист может и не выполнить это требование, или программа может завершиться аварийно. В любом случае ОС должна при завершении программы закрыть все ее файлы. Как ОС узнает, какие файлы следует закрыть? Ответ очень простой: достаточно просмотреть таблицу JFT завершаемой программы и найти там все записи, отличные от FF₁₆.

· Использование JFT дает возможность отделить логическое понятие стандартного устройства (в частности, стандартный ввод – хэндл 0 и стандартный вывод – хэндл 1) от конкретных устройств. Перенаправление стандартных устройств выполняется путем изменения значений соответствующих элементов JFT.

Новые версии системы FAT

Структуры данных файловой системы являются одной из наиболее консервативных, плохо поддающихся изменениям характеристик ОС. Проблема заключается в том, что при изменениях структур данных трудно сохранить совместимость с более ранними версиями. Было бы катастрофой, если бы все множество накопленных в мире файлов в системе FAT вдруг перестало читаться в новой версии системы. Тем не менее, некоторые интересные изменения все же удалось ввести при выпуске версий Windows 95 и 98.

В Windows 95 было преодолено досадное ограничение длины имени файла – знаменитое правило «8 + 3». Казалось бы, при размере записи каталога в 32 байта трудно надеяться на длинные имена файлов. Тем не менее, было найдено забавное решение этой проблемы.

Разработчики из Microsoft обратили внимание, что те записи каталога, в которых встречается бессмысленная комбинация битовых атрибутов «скрытый + системный + только чтение + метка тома», просто-напросто игнорируются как системными программами MS-DOS, так и распространенными утилитами других разработчиков. Это дало возможность использовать записи с такой комбинацией для хранения длинного имени файла. По-прежнему для каждого файла в каталоге имеется основная запись в обычном, старом формате, содержащая атрибуты файла, номер первого кластера и обязательное «короткое» имя. Однако если пользователь при создании файла указывает имя, не укладывающееся в стандарт «8 + 3» или содержащее строчные буквы, то перед основной записью будет вставлено нужное количество дополнительных записей с разбитым на кусочки «длинным именем» в кодировке UNICODE (по 2 байта на символ, что позволяет использовать любой известный алфавит). Длина имени, согласно документации, может достигать 255 символов (на самом деле, чуть меньше).

Начиная с Windows 98, появилась возможность использовать новую разновидность файловой системы – FAT-32. Ее отличие от FAT-12 и FAT-16 заключается не только в большей разрядности номера кластера (хотя и это очень важно для больших дисков), но и в том, что Microsoft наконец-то решилась использовать 10-байтовый резерв, который неизвестно для каких целей сохранялся незанятым в каждой записи каталога. Благодаря этому появилась возможность добавить к дате/времени последней модификации файла еще два временных штампа: дату/время создания (на самом деле, это дата/время последнего изменения каталожной записи) и дату последнего доступа к файлу.