Функции файловой системы и иерархия данных

Напомним, что под файлом обычно понимают именованный набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие файловые системы. Файловая система предоставляет возможность иметь дело с логическим уровнем структуры данных и операций, выполняемых над данными в процессе их обработки. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-нибудь ином носителе.

Специальное системное программное обеспечение, реализующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами.

Назначение системы управления файлами — предоставление более удобного доступа к данным, организованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Благодаря системам управления файлами пользователям предоставляются следующие возможности:

§ создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных наборов данных (файлов) из своих программ или посредством специальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его данными и активно использующих систему управления файлами;

§ работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами;

§ обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством (и наоборот);

§ работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управления файлами (часть API ориентирована именно на работу с файлами);

§ защита файлов от несанкционированного доступа.

Очевидно, что система управления файлами, будучи компонентом операционной системы, не является независимой от нее, поскольку активно использует соответствующие вызовы API. С другой стороны, системы управления файлами сами дополняют API новыми вызовами.

Следует заметить, что любая система управления файлами не существует сама по себе — она разрабатывается для работы в конкретной операционной системе. В качестве примера можно сказать, что всем известная файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) имеет множество реализаций как система управления файлами. Так, система, получившая это название и разработанная для первых персональных компьютеров, называлась просто FAT (нынче ее называют FAT12). Хотя ее разрабатывали для работы с дискетами, некоторое время она использовалась при работе с жесткими дисками. Потом ее доработали для работы с жесткими дисками большего объема, и новая реализация получила название FAT16. Это название файловой системы мы употребляем и по отношению к подсистеме управления файлами самой системы MS DOS, однако реализацию системы управления файлами для OS/2, которая использует основные принципы системы FAT, называют super-FAT; основное отличие - возможность поддерживать для каждого файла расширенные атрибуты. Есть версия системы управления файлами с принципами FAT и для Windows 95/98 и т. д.

Другими словами, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой операционной системы должна быть разработана соответствующая система управления файлами. И эта система управления файлами будет работать только в той операционной системе, для которой создана, но при этом обеспечит доступ к файлам, созданным с помощью системы управления файлами другой операционной системы, но работающей по тем же основным принципам файловой системы.

В качестве примера снова можно привести всем известную файловую систему FAT, поддерживаемую абсолютным большинством операционных систем, работающих на современных персональных компьютерах. В MS DOS, OS/2, Windows 95/98/ ME, Windows NT/2000/XP, Linux, FreeBSD и других можно работать с файлами, организованными по принципам FAT. Однако программные модули соответствующих систем управления файлами не взаимозаменяемы. Кроме того, все эти системы управления файлами имеют свои индивидуальные особенности и ограничения.

Таким образом, файловая система — это множество именованных наборов данных, организованное по принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной информации, необходимой для доступа к этим файлам.

Термин файловая система определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным в файлы. А термин система управления файлами следует употреблять по отношению к конкретной реализации файловой системы, то есть это — комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной системе.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются;

§ непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для размещения в них файлов или их фрагментов;

§ свободные области дискового пространства;

§ дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска де­лится на две области (см. рис.): системную область и область данных.

Системная область логического диска создается и инициализируется при форматировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Область данных логического диска содержит обычные файлы, или файлы-каталоги. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы.

Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом):

§ загрузочной записи (Boot Record, BR);

§ зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

§ таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

§ корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов представляет собой адресную карту области данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принадлежность его к тому или иному файловому объекту.

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее — только в области данных). Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому ката­логу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых единиц в области данных логического диска,

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раздела. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки.

Номер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, зарезервированному для файлов и подкаталогов). Номера кластеров соответствуют элементам таблицы размещения файлов. Первый допустимый номер кластера всегда начинается с 2.

Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

§ прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT; а уменьшается возможная фрагментация файлов;

§ ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенных для него.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использова­нию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размеще­ния файлов, иллюстрирует рис.

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для на­шего примера может быть записана следующим образом: 8,9, ОА, 0В, 15,16,17,19

1А, 1В, 1C, ID. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой (bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматировании обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те сектора, при контрольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие. Кластер 1D помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, принадлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом 00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый свободный кластер. Возможные значения, которые могут приписываться элементам таблицы FAT, приведены в табл.

Таблица. Значения элементов FAT.

Значение	Описание
0000h	Свободный кластер
fff0h-fff6h	Зарезервированный кластер
fff7h	Плохой кластер
fff8h-ffffh	Последний кластер
0002h-ffefh	Номер следующего кластера в цепочке

 

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличиваются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть данные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приводит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она обычно загружается в оперативную память (в буферы ввода-вывода или в кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица большая, а файловый кэш, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух идентичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Обновляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обращение ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления файловой структуры ScanDisk из ОС Windows при обнаружении несоответствия первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, используя данные из копии.

Корневой каталог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо размещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со структурой, представленной в табл. Для работы с данными на магнитных дисках в системах DOS, которые имеют файловую систему FAT, удобно использовать широко известную утилиту Disk Editor из комплекта утилит Питера Нортона. Основными недостатками этой программы на сегодняшний день являются ограничения на размеры диска и разделов и отсутствие поддержки работы с такими распространенными файловыми системами, как FAT32 и NTFS.

Таблица. Структура элементов каталога.

Размер поля данных, байт	Содержание поля
11	Имя файла или каталога
1	Атрибуты файла
1	Резервное поле
3	Время создания
2	Дата создания
2	Дата последнего доступа
2	Зарезервировано
2	Время последней модификации
2	Дата последней модификации
2	Номер начального кластера в FAT
4	Размер файла

 

Т е м а 2.3 Внутренние и внешние команды MS - DOS

Команды для работы с файлами, каталогами, дисками. Форматы команд. Создание файла в MS - DOS.