Понятие файловой системы

Любые данные, представленные в виде совокупности нулей и единиц, хранятся в памяти компьютера в виде файлов.

Файл (переводится как досье, картотека - file) - поименованная целостная совокупность данных на внешнем носителе.

Для управления файлами и упорядочивания порядка их хранения на носителе используется файловая система, которая является важным элементом компьютера, поскольку от способа организации файлов зависит как скорость доступа к нужному файлу, так и безопасность хранения данных.

Одна и та же операционная система может поддерживать одновременно несколько файловых систем (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Примеры файловых систем

№ п/п	Название файловой системы	Операционная система	Длина имени файла
	FAT[44] (FAT16)	MS-DOS, Windows 95	8 символов латинского алфавита
	VFAT, FAT32	Windows 95 Windows 98	255 символов
	NTFS[45]	Windows NT Windows 2000 Windows XP	255 символов

Основное назначение файловой системы — хранение информации о номерах кластеров, в которых записаны данные конкретного файла.

Кластер — логическое объединение нескольких секторов диска, используемое для ускорения процесса считывания и записи данных. Данные одного файла записываются в целое число кластеров. Таблица распределения файлов как раз и содержит информацию о «закреплении» кластеров за файлами. Все свободные кластеры в FAT-таблицах отмечены нулями. Операционная система хранит две копии таблицы распределения файлов. Каждая запись в таблице размещения файлов содержит следующую информацию:

имя файла;

расширение имени;

код времени создания файла;

код даты создания файла;

размер файла;

номер первого кластера, занимаемого файлом;

атрибуты файла (его свойства) — архивный, системный, скрытый, только для чтения.

Файловая система FAT не отвечала требованиям по надежности и защищенности, предъявляемым к сетевым и многопользовательским ОС. Поэтому для ОС основанных на ядре Windows NT стандартом стала новая файловая система NTFS, которая помимо стабильности и защищенности обладает рядом других достоинств. Однако NTFS отличается гораздо большим временем доступа к данным и резко возрастает нагрузка на жесткий диск. Кроме того, если преобразование файловой системы из FAT в NTFS выполняется с помощью стандартных программ ОС и без ущерба для данных, то обратное преобразование практически невозможно, т.к. ни одна существующая на сегодняшний день программа не гарантирует полное сохранение информации.

Поддержание файловой системы включает следующие действия:

создание файлов и присвоение им имен;

создание каталогов и присвоение имен;

переименование файлов и каталогов;

копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами одного диска;

удаление файлов и каталогов.

Имя каждого файла состоит из 2-х частей: основного имени и расширения. Расширение отделяется от основного имени точкой:

основное_имя. расширение,

например, «informatics.doc».

Правила описания основного имени определяются принятой файловой системой. До появления ОС Windows 95 файлы именовались «короткими» именами, в которых основное имя файла не превышало 8 символов (файловая система FAT), а его расширение — 3 символа. Имя и расширение включали только буквы латинского алфавита и цифры. В частности, такой принцип именования файлов используется в операционной системе MS-DOS. Недостаток коротких имен заключается в низкой информативности имени файла относительно содержимого файла. В Windows 95 было введено понятие «длинного» имени (файловая система VFAT). Такое имя может содержать до 256 символов. Длинное имя может включать любые символы за исключением специальных; «\», «/», «;», «*», «?», «"», «<», «>». Кроме этого, в именах файлов допускаются пробелы и несколько точек (файловые системы FAT32, NTFS и др.).

Расширение имени файла используется для идентификации его содержимого операционной системой. Операционная система содержит информацию о зарегистрированных расширениях (типах) файлов (рис. 4.4). По расширению имени файла операционная система определяет тип данных и программу для редактирования файлов с таким расширением. Поэтому выбор расширения файла во многих случаях не является произвольным. Вместе с тем операционная система Windows позволяет регистрировать новые расширения имен файлов (нестандартные) и указывать программы, с помощью которых они открываются. Однако при переносе такого файла на другой компьютер он не будет распознан операционной системой, поскольку в ней данное расширение (нестандартное) не зарегистрировано.

Рис. 4.4. Фрагмент списка зарегистрированных расширений файлов

Для более удобной работы с данными файлы объединяют по определенным признакам в группы, например, по принадлежности разным пользователям или по общей тематике содержимого и т.д. Группа файлов, для которой вводится общее имя, называется каталогом («директорией» от англ. directory). В операционной системе Windows каталоги называются папками. Имя каталога (папки), в отличие от имени файла, не включает расширение.

В каталог, кроме файлов, могут также входить другие каталоги (подкаталоги первого уровня), которые, в свою очередь, могут включать в себя как файлы, так и каталоги (подкаталоги 2-го уровня) и т.д. По такому принципу формируется иерархическая структура — дерево каталогов (рис. 4.5), включающее на самом верхнем уровне единственный главный каталог (корневой каталог, root directory), к которому сходятся многочисленные ветви подкаталогов

Рис. 4.5. Дерево каталогов.

Физический диск — это реальный физический носитель данных, имеющий имя. В качестве имен физических дисков принято использовать буквы латинского алфавита;

А и В — гибкие магнитные диски;

С— жесткий магнитный диск;

D — оптический диск (если есть) и т.д.

Логический диск — это виртуальный диск на физическом диске или часть физического диска. Например, жесткий магнитный диск можно разбить на несколько логических дисков, имена которых будут соответственно С, D, E, F и т.д. В этом случае лазерный диск будет именоваться следующей буквой — G. Если жесткий диск не разбит на два и более логических диска, то он содержит один логический диск С.

Пользователь работает с каждым логическим диском как с отдельным устройством, хотя на самом деле логический диск может являться частью физического диска. Логический диск также является каталогом самого высокого уровня— корневым каталогом.

В файловых системах, поддерживающих длинные имена, используется понятие полного имени (рис. 4.6), включающего, помимо имени файла (основное имя и расширение), путь доступа к файлу (включает имя диска, последовательность вложенных каталогов, разделенных символом \ и имя файла).

Имя диска	Путь (каталоги)	Имя файла
С:\TULGU\Fakultet Ek I Pr\1 kurs\Spisok grupp.doc
	1-й уровень	2-й уровень	3-й уровень	собственное имя	расширение

Рис. 4.6. Полное имя файла

Поддержание файловой системы, помимо ранее перечисленных функций над файлами и каталогами (создание, удаление и т.д.), включает следующие действия:

исправление ошибок в хранимых данных;

разграничение прав доступа пользователей к файлам и папкам;

навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу;

управление атрибутами файлов и каталогов.

Первые два действия относятся к файловой системе NTFS (Windows NT, Windows 2000, Windows XP). Файловая система NTFS включает средства, отслеживающие целостность хранимых данных, а также средства автоматического исправления ошибок в файловой системе и замены дефектных секторов при обнаружении ошибок.

Разграничение прав доступа пользователей реализуется путем установки дополнительных атрибутов (свойств) файлам и папкам и отслеживания соответствия между свойствами объекта и правами пользователя.

Навигацию (перемещение от одного файла к другому) по файловой структуре можно выполнять путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога в каталог. Такой подход является неприемлемым для большинства пользователей, поскольку требует знания специальных команд и формата их записи. В связи с этим широкое применение нашли специальные программы, называемые файловыми оболочками. В операционных системах семейства Windows навигация по файловой структуре осуществляется с помощью программы Проводник (Explorer).

Кроме имени и расширения файла, операционная система посредством файловой системы хранит для каждого файла и каталога дату его создания и набор атрибутов.

Атрибуты — это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов и каталогов. Операционная система позволяет их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами. В большинстве файловых систем стандартными атрибутами файлов и каталогов являются следующие атрибуты:

«только для чтения»;

«скрытый»;

«системный»;

«архивный».

Атрибут «Только для чтения» ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений. Файл можно просматривать и изменять, однако пользователю будет отказано в сохранении изменений. Файл, открытый только для чтения, может быть сохранен под другим именем. При этом действие атрибута «только чтение» не распространяется на новый файл.

Атрибут «Скрытый» указывает, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного повреждения файла. Этот атрибут можно присвоить любому файлу или каталогу.

Атрибут «Системный» используется для файлов, связанных с функционированием операционной системы. Управляет данным атрибутом операционная система.

Атрибут «Архивный» используется для установления факта изменения содержимого файла или каталога, подлежащего резервному копированию. При любых изменениях файла данный атрибут автоматически устанавливается. Сброс атрибута выполняется автоматически после выполнения операции резервного копирования. Однако, поскольку современные программы резервного копирования используют другие признаки для установления факта изменения файла, то данный атрибут не принимается ими во внимание.