Что такое файловая структура компьютера? Определение

Файловая система компьютера

Файловая система позволяет систематизировать программы и данные и организовать упорядоченное управление этими объектами.

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе ОС Unix. В ОС Unix подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве.

Файловая система — это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т. д.

Файловая система – это система управления данными.

Система управления данными – система, пользователи которой освобождаются от большинства операций по физическому манипулированию файлами и могут сосредоточить внимание главным образом на логических свойствах данных.

Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система (назначение):

• скрывает картину реального расположения информации во внешней памяти;
• обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации компьютера (логический уровень работы с файлами);
• обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Определение файла

Работой любого компьютера руководит операционная система, без которой невозможно его использовать по прямому предназначению. Для понимания того, что представляет собой ФС, необходимо вникнуть в суть другого термина – файла. С английского слово file переводится как «папка» и означает именованную область данных диска либо любого другого носителя информации. Также можно дать и такое определение файла: это — последовательность определенного количества байтов, причем его длина произвольная.

Как понять файловую структуру персонального компьютера наиболее адекватно, и о каких данных идет речь? Обычно любая хранимая или обрабатываемая информация — это:

• электронные документы;
• изображения;
• программное обеспечение;
• музыкальные композиции;
• видеоконтент и прочее.

Однако всю эту информацию необходимо как-то упорядочить, что делается для удобства в отношении пользователя. Но это относится не только к файлам. К примеру, все мы храним обувь в отдельности от одежды. То же самое применимо и к продуктам, ведь никто не хранит обувь рядом с ними?! Поэтому мы прибегаем к двум проверенным способам:

• сортировка;
• группировка.

Что касается файлов, то здесь используется 2 способ. За что и отвечает операционная система. Но действует она посредством файловой системы или структуры.

Типы файлов

Файлы бывают разных типов: обычные, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычный файл может быть как текстовым, так и двоичным. Текстовый файл состоит из строк символов, которые представлены в кодовой таблице. Это может быть документ, исходный текст программы и т.п. Текстовый файл можно прочитать на экране, а можно распечатать на принтере. Двоичный файл имеет сложную внутреннюю структуру, например, объектного кода программы или архивного файла. Любая операционная система должна уметь распознавать хотя бы один тип файла − свой собственный исполняемый файл.

Специальный файл − это файл, который используется для представления физического устройства ввода-вывода (жёсткого или оптического дисковода, принтера, звуковых колонок и т.д.). Он позволяет пользователю, при помощи обычных команд записи в файл или чтения из файла, выполнять операции ввода-вывода.

Кроме обычных файлов, специальных и файлов-каталогов в ОС Linux есть ещё ссылки — это файлы, содержащие ссылки на другие файлы (не путать с ярлыками).

Каталог − это группа файлов, которые пользователь захотел объединить по своему усмотрению (файлы, которые содержат программы игр, или файлы, которые составляют один программный пакет). В то же время каталог − это файл, и он содержит системную информацию о группе файлов, которые его составляют. В каталоге находится список файлов, вошедших в него, и устанавлено соответствие между файлами и их атрибутами (характеристиками).

В разных файловых системах в качестве атрибутов могут быть использованы одна или несколько разных характеристик, например:

• создатель файла,
• пароль для доступа к файлу,
• информация о разрешенном доступе,
• владелец файла,
• признаки (скрытый файл, файл только для чтения, системный файл, архивный файл, временный файл (который надо удалить после завершения процесса) и т.д.)
• длина записи,
• длина ключа,
• текущий размер файла,
• время создания, время последнего изменения/последнего доступа,
• максимальный размер файла.

Так, значения характеристик файлов могут содержаться непосредственно в каталоге, как это было сделано в файловой системе MS-DOS, но каталог может и ссылаться на таблицу, которая содержит эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (см. Рисунок 1)

Рисунок 1. Структура каталогов: а — структура записи каталога MS-DOS (32 байта); б — структура записи каталога ОС UNIX

Каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня, поэтому каталоги могут образовывать иерархическую структуру (см. Рисунок 2.)

Иерархически каталоги могут представлять дерево или сеть. Если файлу разрешено входить только в один каталог, то каталоги образуют дерево, если файл может входить сразу в несколько каталогов, то каталоги образуют сеть. Каталоги в MS-DOS образуют структуру под названием дерево, а в UNIX’е – сетевую структуру. Каталоги имеют символьные имена, как, впрочем, и любые другие файлы, каталог однозначно инициируется составным именем, которое содержит цепочку символьных имен всех каталогов, Через эту цепочку имён и проходит полный путь от корня до данного каталога.

Каталоги жёстких дисков и/или их логических разделов в ОС Linux не являются корневыми каталогами (не принадлежат верхнему уровню файловой системы). Они встраиваются («монтируются») в каталог mnt. Другие устройства внешней памяти (гибкие, оптические и флеш-диски) встраиваются в каталог media. Каталоги mnt и media, в свою очередь, встраиваются в единый корневой каталог, который обозначается знаком « / » (прямой слэш).

Рисунок 2. Логическая организация файловой системы, где а — одноуровневая; б — иерархическая (дерево); в — иерархическая (сеть)

Файловая структура диска — это совокупность всех файлов на дисках и взаимосвязей между ними.

Файловая структура может быть простой и иерархической (многоуровневой).

Простая файловая структура может быть использована для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов. Тогда оглавление диска представит собой линейную последовательность имён (см. Рисунок 3)

Рисунок 3. Простая файловая структура

Иерархическая файловая структура используется для хранения большого количества файлов (сотни, тысячи). Иерархия — это когда части (элементы) целого располагаются в порядке от высшего к низшим. В начальном (корневом) каталоге содержатся вложенные каталоги и файлы первого уровня. Каждый каталог первого уровня может содержать как вложенные каталоги второго уровня, так и файлы и т. д. (Рисунок 4).

Графическое изображение иерархической файловой структуры носит название дерево. В MS Windows каталоги могут образовать несколько отдельных деревьев, если они расположены на разных дисках; а в Linux все каталоги объединяются в одно дерево, общее для всех дисков (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Иерархическая файловая структура в ОС Linux

Древовидные иерархические структуры можно изображать как вертикально, так и горизонтально.

Управление файлами

Файл – именованная область внешней памяти, предназначенная для считывания и записи данных.

Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания. Исключением является электронный диск, когда в ОП создается структура, имитирующая файловую систему.

Файловая система (ФС) — это компонент ОС, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных — файлам.

Файловая система включает:Файловая система включает:

• Совокупность всех фалов на диске.
• Наборы структур данных, используемых для управления файлами (каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске).
• Комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск.

Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип – это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС. Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:

• Именование файлов.
• Программный интерфейс для приложений.
• Отображения логической модели ФС на физическую организацию хранилища данных.
• Устойчивость ФС к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

Задачи ФС усложняются в однопользовательских многозадачных ОС, которые предназначены для работы одного пользователя, но дают возможность запускать одновременно несколько процессов. К перечисленным выше задачам добавляется новая задача — совместный доступ к файлу из нескольких процессов.

Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит ФС должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности: должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, согласование копий, предотвращение гонок, исключение тупиков. В многопользовательских системах появляется еще одна задача: Защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

Еще более сложными становятся функции ФС, которая работает в составе сетевой ОС ей необходимо организовать защиту файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

Основное назначение файловой системы и соответствующей ей системы управления файлами– организация удобного управления файлами, организованными как файлы: вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи, используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Термины «файловая система» и «система управления файлами» необходимо различать: файловая система определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным как файлы. А термин «система управления файлами» следует употреблять по отношению к конкретной реализации файловой системы, т.е. это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной ОС.

Пример

Файловая система FAT (file allocation table) имеет множество реализаций как система управления файлами

• Система, разработанная для первых ПК называлась просто FAT (сейчас ее называют просто FAT-12) . Ее разрабатывали для работы с дискетами, и некоторое время она использовалась для работы с жесткими дисками.
• Потом ее усовершенствовали для работы с жесткими дисками большего объема, и эта новая реализация получила название FAT–16. это название используется и по отношению к СУФ самой MS-DOS.
• Реализация СУФ для OS/2 называется super-FAT (основное отличие – возможность поддерживать для каждого файла расширенные атрибуты).
• Есть версия СУФ и для Windows 9x/NT и т.д. (FAT-32).

Разновидности

• Физическая – её задачи: управление пространством накопителя, размещение и предоставление доступа к файлам, формирование их структуры на дисках.
• Логическая – это пространство имён или адресное пространство.

Поясним. Физически все файлы расположены на одном жёстком диске или в флеш-памяти. Для обращения к ним используется адресное пространство – указывается путь. Представим, что все документы находятся на одном диске C:.

Для обращения к документам в одноуровневых ФС вводят название раздела, далее – его имя, например, C:file.docx.

После буквенной метки диска ставится двоеточие, затем – обратная косая черта «».

Логически эти файлы располагаются в различных каталогах (папках, директориях) – абстрактные структуры, логические контейнеры, применяемые для упорядочивания, структурирования и группировки документов.

Например: C:документыfile.docx, C:видеосериалы8сезонсерия5.mp4. После названия папки ставится разделитель – обратная косая черта, после имени документа – точка, затем – его расширение, обычно состоящее из трёх букв.

При описанной организации ФС документы имеют два имени:

• Короткое – название и расширение, указанное через точку.
• Длинное – начинается с метки логического раздела или физического накопителя, включает названия всех каталогов в иерархической последовательности – от наивысшего до самого низшего, и заканчивается коротким именем.

На одном физическом диске может располагаться несколько (зависит от файловой системы) логических разделов (томов). Если этот накопитель используется для запуска операционной системы, первый его диск будет системным – хранятся файлы ОС и активным – из него «операционка» загружается. Обычно имеет буквенную метку «C». Остальные диски предназначены для пользовательских данных, по умолчанию носят буквенные метки, следующие за «С» в английском алфавите: D, E, F. A и B – зарезервированы под флоппи-дисководы, которые вышли из обихода.

Описанная ФС ускоряет поиск нужных файлов, позволяет:

• Хранить на одном разделе множество документов с одинаковыми короткими названиями, если те расположены в разных папках – имеют различные адреса.
• Группировать документы по общим признакам.
• Держать на компьютере несколько копий одного документа.

Благодаря папкам мы понимаем, что в каталоге «Фильмы» находятся видеофайлы, «Фото» – фотоколлекция, в «ФотоОтпуск2021» снимки с последнего отдыха. В каталогах «Физика» и «Химия» могут располагаться объекты с одинаковыми именами – «Лабораторная работа №1.docx».

Порядок подчинения или древовидная структура файлов формируется пользователем на всех разделах, кроме системного, где всё делают программы установки ОС и приложений. Человеку в иерархию каталогов на разделе C: вмешиваться не стоит.

Ныне практически каждая файловая система многоуровневая или древовидная – это рассмотренный выше метод организации хранения данных. Одноуровневая файловая структура – это устаревшая, практически не использующаяся ФС. Пример: когда в корне диска – съёмного накопителя – размещены десятки файлов без каталогов.

Цели, состав и функции

Цели использования файловой системы:

• Экранирование физической организации долговременного хранилища данных.
• Создание простой модели (логической) этого хранилища.
• Предоставление программам и пользователям удобного набора команд для манипулирования файлами.

Состав файловой системы определяется следующими компонентами:

1. Все файлы на диске.
2. Наборы структур данных, которые используются для управления файлами.
3. Комплекс системных программных средств которые реализуют различные операции над файлами (создание, запись, чтение, поиск и другие).

Функции файловой системы:

• Отображение логической модели данных на физическую организацию хранилища данных. То есть структура файлов и папок на компьютере переноситься на физический жесткий диск. А именно на конкретные сектора.
• Обеспечение устойчивости файловой системы к сбоям и ошибкам.
• Предоставление программного интерфейса для приложений. Что бы программы могли работать с файлами.
• Обеспечение совместного доступа к файлу несколькими процессами. О процессах я рассказывал в основах операционных систем.
• Защита файлов от несанкционированного доступа.

Какие бывают файловые системы

Для Windows используются два файловые системы:

1. FAT (File Allocation Table).
2. NTFS (New Technology File System).

Для UNIX систем это:

1. UFS (Unix File System).
2. S5 (применительно к System V).

1. Ext (Extended File System).
2. Reiser.

Физическая организация файловых систем

Обычные HDD диски состоят из:

1. Дорожек. Концентрических колец предназначенных для хранения данных, размеченных на диске. Они состоят из одинакового числа секторов.
2. Секторов. Сектор является наименьшей адресуемой единицей дискового устройства для обмена данными. Размер сектора фиксирован.
3. При низкоуровневом форматировании создаются дорожки и сектора, на диск записывается информация для определения границ секторов.

Логические диски

При работе в операционной системы мы работаем с логическими дисками или разделами. Физический диск может быть разбит на один или несколько логических дисков.

Логический диск или раздел это часть (или весь) физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство.

На одном логическом диске может использоваться только одна файловая система.

На моем примере.

В моем случае диск C это часть физического SSD диска. Диски D и E — полностью два физических диска. Часто один физический диск разбивают на два логически C и D.

Возможные варианты организации логических дисков:

• Один физический – один логический.
• Один физический – несколько логических.
• Несколько физических – один логический.

Вариант несколько физических = дин логический обычно используется в RAID массивах.

RAID (англ. Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых (самостоятельных) дисков) — технология виртуализации данных для объединения нескольких физических дисковых устройств в логический модуль для повышения отказоустойчивости и/или производительности.

https://ru.wikipedia.org/wiki/RAID

На картинке выше видно что один диск (диск C) помечен как загружаемый (системный) иконкой слева.

Высокоуровневое форматирование диска

Высокоуровневое форматирование диска необходимо для создания логического диска и файловой системы на нем.

При форматировании пространство логического диска разбивается на кластеры определенного размера.

Кластер (блок) является минимальной единицей хранения данных, используемой в файловой системе.

При форматировании на диск записывается следующая информация:

1. Загрузчик операционной системы.
2. Сведения о границах областей отведенных под файлы и каталоги.
3. Информация о поврежденных областях.
4. Информация о доступном и неиспользуемом пространстве.

Служебная область содержит общую информацию о файловой системе, свободных кластерах, о размещении файлов в кластерах.

Главная таблица файлов – MFT содержит как минимум одну запись для каждого файла и запись для себя. На кластеры делится весь раздел диска, а не только область данных.

В файловой системе NTFS данные организуются следующим образом.

Организация данных в NTFS

Возникает вопрос, а что же такое файл?

Файл это неструктурированная последовательность байтов, в которую можно записывать и из которой можно считывать информацию. Файл это логический объект, позволяющий обращаться к информации по имени.

За счет использования файлов в операционной системе появилась возможность простого доступа пользователей и приложений к информации по имени.

Наличие имени файла позволяет получать доступ к информации независимо от адресов кластеров, в которых располагается файл. Существует возможность определения прав доступа пользователей к файлу.

Типы файлов

Обычные файлы — это файлы которые содержат информацию произвольного характера. Они имеют произвольную структуру. Операционная система должна распознавать как минимум один тип файлов, это собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы – фиктивные файлы, которые ассоциируются с устройствами ввода-вывода.

Каталоги – файлы, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователем по какому-либо признаку. Каталоги могут содержать файлы любых типов, включая каталоги.

Другие — тип файлов, содержащий символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в памяти.

Иерархическая структура файловой системы состоит из следующих элементов:

• Дерево – файл может входить только в один каталог.
• Сеть – файл может входить в несколько каталогов.

Корневым называют каталог верхнего уровня.

Иерархическая структура файловой системы

Монтирование логических дисков

Монтированием логических дисков называют встраивание логического диска в иерархическую структуру файлов операционной системы.

В качестве точки монтирования может выступать любой пустой каталог существующей файловой системы. При монтировании он становится корневым для файловой системы монтируемого диска.