 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Основы файловых систем. Файлы и их атрибуты. Каталоги. Логическая организация ФС. Логическая, физическая организация файлов. Кэширование. RAID - системы
|
|
4. Основы файловых систем. Файлы и их атрибуты. Каталоги. Логическая организация ФС. Логическая, физическая организация файлов. Способы учёта свободного дискового пространства.
3.1 Основы файловых систем.
l Файловая система – это часть ОС, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и/или процессами.
l В широком смысле понятие “ФС” включает:
l совокупность всех файлов на диске;
l наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
l комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.
3.2, 3.3 Файлы и их атрибуты. Каталоги.
Файл – это именованный набор связанной информации, записанной во вторичную память.
Файлы представляют собой абстрактные объекты, задача которых – хранить информацию, скрывая от пользователя детали работы с устройствами.
Имена файлов:
- Файлы идентифицируются символьными именами, которые им дают пользователи.
- Общий формат символьного имени файла: <ИМЯ>.<РАСШИРЕНИЕ>
- Символьные имена могут быть различной длины в зависимости от типа ФС.
- Поддержка национальных алфавитов – символьные имена в формате UNICODE.
- Присваивание нескольких символьных имен одному файлу.
- Возможное различие строчных и прописных букв.
Типы файлов:
- обычные файлы:
- специальные файлы;
- файлы-каталоги.
Обычные файлы:
Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные:
- Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-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 ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру. Например, исполняемый файл в ОС Unix имеет пять секций: заголовок, текст, данные, биты реаллокации и символьную таблицу. ОС выполняет файл, только если он имеет нужный формат. Другим примером бинарного файла может быть архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов – их собственные исполняемые файлы.
Специальные файлы:
Специальные файлы – это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла.
Команды чтения/записи обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Так, например, клавиатура обычно рассматривается как текстовый файл, из которого компьютер получает данные в символьном формате.
Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.
Каталоги:
Каталоги – системные файлы, поддерживающие структуру файловой системы.
Каталог это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны – это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих.
В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).
Атрибуты файлов:
В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики:
- информация о разрешенном доступе;
- пароль для доступа к файлу;
- владелец файла;
- создатель файла;
- флаги "только для чтения", "скрытый файл", "системный файл", "архивный файл", "двоичный/символьный", "временный" (удалить после завершения процесса), флаг блокировки;
- времена создания, последнего доступа и последнего изменения;
- текущий размер файла;
- максимальный размер файла.
Структура каталогов:
Каталоги могут непосредственно содержать атрибуты файлов, как это сделано в файловой системе FAT16, или, как это реализовано в ОС UNIX, ссылаться на специальные индексные узлы (i-node), которые содержат атрибуты и информацию о размещении файлов.
3.4 Логическая организация ФС.
Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня.
Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов.
В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.
3.5 Логическая, физическая организация файлов.
Логическая организация файла:
Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись – это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи. На слайде показаны несколько схем логической организации файла. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная организация). Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS Windows файл имеет простейшую логическую структуру – последовательность однобайтовых записей.
Физическая организация файла:
Физическая организация файла описывает правила хранения файла на устройстве внешней памяти (например, магнитном диске).
Файл состоит из физических записей – блоков.
Блок – наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью.
Примерами блоков являются сектора, кластеры и цилиндры.
Цилиндры и сектора:
Магнитный диск представляет собой один или несколько объединенных дисков (блинов), по поверхностям (Sides) которых перемещаются головки (Heads).
Головки перемещаются по круговым дорожкам (Tracks), каждая дорожка разделена на сектора (Sectors). Дорожки, равноудаленные от центра диска и образующие цилиндрическую поверхность, называют цилиндрами (Cilinders).
Кластеры:
Некоторые файловые системы (например, FAT и NTFS) в качестве единицы хранения информации используют логические блоки называемые кластерами.
Кластер представляет группу смежных секторов. Число секторов в кластере всегда равно степени двойки (2n).
Способы физической организации.
Непрерывное размещение:
Непрерывное размещение – простейший вариант физической организации (рисунок а), при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока.
В качестве примера обычно приводят файловую систему, реализованную в IBM OS/360.
Достоинства этого метода:
- отсутствие накладных расходов на хранение служебной информации;
- высокая производительность при последовательном доступе;
- простое вычисление адреса любого блока файла.
Но имеются и два существенных недостатка:
Во-первых, во время создания файла заранее неизвестна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла. Поэтому при увеличении размера файла может потребоваться его перемещение.
Во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.
Связанный список блоков:
Следующий способ физической организации – размещение в виде связанного списка блоков дисковой памяти (рисунок б). При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла также может быть задан одним числом – номером первого блока.
В качестве примера обычно приводят операционную систему TOPS-10 и компьютер Alto.
Достоинством метода является отсутствие фрагментации. В отличии от предыдущего метода файл может безболезненно увеличивать число занимаемых блоков.
Недостатками данного метода являются:
- сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того, чтобы прочитать n -ый по порядку блок, необходимо проследить список блоков прочитав (n-1) первых блока;
- совместное хранение служебной информации и данных в одном блоке, при повреждении блока файла дальнейшая цепочка «обрывается»;
- при этом способе количество данных файла, содержащихся в одном блоке, не равно степени двойки (одно слово израсходовано на номер следующего блока), а многие программы читают данные блоками, размер которых равен степени двойки.
Связанный список индексов:
Популярным способом, используемым, например, в файловой системе FAT операционной системы MS-DOS, является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент – индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска (в MS-DOS это таблица FAT). Если некоторый блок распределен некоторому файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла.
При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа, и снимаются оба отмеченных недостатка:
Во-первых, для доступа к произвольному месту файла достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество блоков файла по цепочке и определить номер нужного блока;
Во-вторых, данные файла занимают блок целиком, а значит имеют объем, равный степени двойки.
Перечень номеров блоков:
В заключение рассмотрим задание физического расположения файла путем простого перечисления номеров блоков, занимаемых этим файлом. Этот способ используется в ФС UNIX, также похожий способ реализован в файловой системе NTFS.
Например, в UNIX используется вариант данного способа, позволяющий обеспечить фиксированную длину адреса, независимо от размера файла. Для хранения адреса файла в индексном узле (i-node) выделено 13 полей:
- Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых десяти полях адреса.
- Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11-е поле содержит адрес блока, в котором могут быть расположены n номеров следующих блоков файла.
- Если файл больше чем 10 + n блоков, то используется 12-е поле, в котором находится номер блока, содержащего n номеров блоков, которые содержат по n номеров блоков данного файла.
- И, наконец, если файл больше 10+ n + n * n, то используется последнее 13-е поле для тройной косвенной адресации, что позволяет описать размещение файла, имеющего размер максимум 10 + n + n * n + n * n * n блоков.
Размер блока – 4Kб, адрес – 4 байта
Прямая адресация: 10 x 4Kб = 40Kб
Одиночная косвенная адресация: (4Kб / 4б) x 4Kб = 1K x 4Kб = 4Mб
Двойная косвенная адресация: 1K x 1K x 4Kб = 4Гб
Тройная косвенная адресация: 1K x 1K x 1K x 4Kб = 4Tб
Способы учета свободного дискового пространства:
l Связанный список (linked list) – в этом случае все свободные блоки связываются в общий список, указатель на первый свободный блок размещается в специально отведенном месте диска. Недостаток этого решения состоит в том, что для просмотра всего списка нужно выполнить много обращений к диску. Однако, обычно, необходим только первый свободный блок.
l Битовая карта (bit map) – в этом случае список свободных блоков диска реализован в виде битового вектора. Каждый блок представлен одним битом, принимающим значение 0 или 1, в зависимости от того, занят он или свободен.
l Групповой способ (grouping) – модификации подхода связанного списка, в первом свободном блоке хранятся адреса n свободных блоков. Первые n-1 этих блоков действительно используются, а последний блок содержит адреса других n блоков и т. д.
l Способ «счетчика» (counting) – каждая группа последовательных свободных блоков описывает парой чисел (номер стартового свободного блока; число последовательных свободных блоков).
Права доступа к файлу:
Определить права доступа к файлу – значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа.
Этот список может включать следующие операции:
l создание файла
l уничтожение файла
l открытие файла
l закрытие файла
l чтение файла
l запись в файл
l дополнение файла
l поиск в файле
l получение атрибутов файла
l установление новых значений атрибутов
l переименование
l выполнение файла
l чтение каталога
Управление правами доступа:
В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.
Различают два основных подхода к определению прав доступа:
- избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;
- мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.
3.6 Кэширование.
Дата публикования: 2014-11-19; Прочитано: 1588 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
