Файловая система — что это такое и их виды

Файловая система и её компоненты

Что подразумевается под компонентами файловой системы? Это одинаково корректное описание для всех операционных систем, и включает в себя 4 основных составляющих:

В то время, как подавляющее число дисковых накопителей внутри ПК пользователей сегодня имеют SATA интерфейс, настоящие короли по скорости обмену информацией – твердотельные диски (SSD). SATA будут ещё долго находиться в чреве машин как зарекомендовавшие себя надёжные устройства, объём которых растёт и пока недосягаем для переносных накопителей. И, чтобы там не говорили, нередко при обновлении конфигурации компьютера «старый» жёсткий диск успешно перекочёвывает в новую систему, позволяя при правильном обращении работать годами. Единственной тому помехой являются:

• Сокращённый срок службы
• Отставание по объёму хранимых данных
• Меньший объём буфера памяти или шина прямого доступа памяти (напрямую от диска к оперативной памяти).
• Скорости передачи данных.

На данный момент эту таблицу можно считать окончательной, хотя, в зависимости от устройства, производителя и даже страны производства, данные вашего устройства могут колебаться вокруг этих величин.

а в USB 3.0 скорость передачи может достигать и 5 Гбит/сек

Видно, что у твердотельных дисков минус пока один – они дороги, однако, несомненны их преимущества:

• Нет вращающихся частей
• Устойчивы к механическим повреждениям
• По заявлению разработчиков, время безотказной работы увеличилось до 1 млн. часов (против 750 тыс. для SATA)
• Производительность чрезвычайно высока
• Разъёмы и под 2,5 и под 3,5 дюймов
• Интерфейсы питания аналогичны как и для SATA дисков
• Наконец, просто они легче.

Причины известны, а тенденции понятны: в смартфонах и планшетных компьютерах не до вращающихся и хрупких устройств. А информацию всё равно приходится запихивать — ну что могут традиционные на сегодня встроенные 32 Гбайт? Так что изначально на компьютерах, а теперь на планшетах Windows в том числе предусмотрела возможность подключения, а, значит и разбиения существующих, новых хранилищ. Пользователи Windows 10 (планшетной версии) заметили, что в ней возможность использовать внешний диск SDHC полноценно с загрузкой, установкой и последующим запуском программ появилась вполне официально.

Что такое файловая система

Файловая система (File System, ФС) — определяет и контролирует, как будут храниться и именоваться данные на носителе/накопителе информации: флешке, жестком или ssd диске и других. От нее зависит способ хранения данных на накопителе, сам формат данных и то, как они будут записываться/читаться в дальнейшем.

Также ее можно назвать программным интерфейсом, который позволяет структурировать данные на накопителе, чтобы программное обеспечение могло быстро получить к ним доступ.

Файловая система делает организованную структуру на накопителе информации. Все записанные данные на нем хранятся в своих определенных местах, под определенными именами и с присвоенными атрибутами. Если бы ФС не было, то файлы хранились бы на носителе просто в одном большом массиве данных и определить, где начало какого файла и его конец, было бы невозможно. Система бы просто не знала, как вытащить необходимый файл.

Что определяет файловая система:

• Структура
• Правила хранения и чтения данных
• Размер кластеров
• Формат содержимого
• Размер имен файлов
• Максимально возможный размер файла и раздела. К примеру, в ФАТ32 максимальный размер всего 4 ГБ, т.е. 4 294 967 295 байт.
• Набор атрибутов файла

3. Файловые структуры

Совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называют файловой структурой диска. Первоначально файловые системы поддерживали только одноуровневые файловые структуры: все файлы хранились в одном каталоге.

Для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов используются иерархические (многоуровневые) файловые структуры: файлы группируются в каталоги, каталоги могут группироваться в каталоги более высокого уровня.

Пользователь, объединяя по собственному усмотрению файлы в каталоги, может создать удобную для себя систему хранения информации.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом. Древовидные иерархические структуры можно изображать вертикально и горизонтально (рис. 2.10).

Чтобы обратиться к нужному файлу (каталогу), хранящемуся на некотором диске, можно указать путь (адрес каталога) — набор символов, показывающий расположение файла в файловой системе.

Рис. 2.10. Типовая древовидная иерархическая структура, принятая в Windows

Полное имя файла — запись пути к файлу, завершаемая именем файла.

Е:ДокументыЗадачи — путь к файлу Расчёты.xlsx;

Е:ДокументыЗадачиРасчёты.xlsx — полное имя файла Расчёты.xlsx.

Для того чтобы «добраться» до нужного файла в многоуровневой файловой структуре, пользователю совсем не обязательно перемещаться по каталогам, образующим путь к файлу. Современные операционные системы имеют специальные инструменты, позволяющие достаточно быстро находить нужные файлы даже в том случае, когда точно не известно их расположение. Если пользователь знает только некоторую часть имени файла (например, он знает, что в имени файла обязательно должна быть цифра 7), то для его поиска можно воспользоваться маской имени файла.

Маска имени файла — последовательность букв, цифр и других допустимых в именах файлов символов, а также символов «?» и «*», определяющая те или иные требования к имени файла.

Символ «?» (вопросительный знак) означает, что на его месте в имени файла должен быть ровно один произвольный символ. Символ «*» (звёздочка) означает, что на его месте в имени файла может быть последовательность любых символов произвольной длины, в том числе «*» может задавать и пустую последовательность.

Рассмотрим несколько примеров масок:

• маске *.* соответствуют абсолютно все файлы, поскольку набор произвольных символов указывается как для имени, так и для расширения файла;
• маске *.трЗ соответствуют все аудиозаписи формата mp3;
• маска info.* позволит отобрать файлы всех типов с именем info;
• маске info*.* будут соответствовать все файлы, начинающиеся с info;
• маске *info.* будут соответствовать все файлы, имена которых заканчиваются на info;
• маска . * позволит отобрать все файлы с трёхбуквенными именами;
• маске info. * будут соответствовать все файлы, имена которых состоят из шести символов и начинаются с info;
• маска info??*.* позволяет найти все файлы, имена которых начинаются с info и содержат шесть и более символов.

Подумайте, какая из трёх следующих масок позволит отобрать больше всего файлов:

Пример. В каталоге находится 6 файлов:

motors.dat;

torsten.docx;

motors.doc;

victoria.docx;

storch.doc;

x_torero.doc.

С помощью маски из них была отобрана следующая группа файлов:

motors.doc;

storch.doc;

victoria.docx;

x_torero.doc.

Какая из следующих масок была при этом использована?

1) *tor?*.d*;

2) ?tor*.doc;

3) *?tor?*.do*;

4) *tor?.doc*.

Выясним, какие группы файлов позволит выбрать каждая из масок. Результаты анализа представим в таблице:

Здесь мы серым цветом выделили строки, соответствующие файлам, которые должны быть отобраны.

Если файл соответствует маске, то в ячейке, находящейся на пересечении строки с именем файла и столбца с именем маски, будем ставить « + », в противном случае — «-».

В столбце искомой маски, знаки «+» должны соответствовать отобранным файлам, знаки «—» — всем прочим.

Анализируя маску *tor?*.d*, ставим знак «+» в ячейку, соответствующую файлу motors.dat. Данная маска позволяет отобрать файл, который не входит в интересующую нас группу, следовательно, она не может обеспечить отбор нужных файлов. Дальнейшее рассмотрение этой маски можно прекратить.

Маска ?tor*.doc не позволит отобрать файл motors.dat, но она же не позволит отобрать и подлежащий отбору файл motors.doc. Следовательно, дальнейшее рассмотрение этой маски можно прекратить.

Маска *?tor?*.do* позволяет отобрать только те файлы, которые нам нужны. Её можно использовать для решения задачи.

Но, возможно, задача имеет не одно решение. Проверяем маску *tor?.doc*. Она не позволит нам отобрать файл storch.doc.

Итак, решением задачи может быть только третья маска (*?tor?*.do*).

NTFS: системный диск

Однако ограничения FAT32 не позволят эффективно использовать ее в современных вычислительных средах. Отсутствие контроля доступа – это одно, абсолютное отсутствие ведения журнала и каких-либо намеков на отказоустойчивость – это другое. Ограниченный размер файла также является огромным минусом. В результате Microsoft представила новую файловую систему, которую они назвали файловой системой новых технологий, или NTFS.

В NTFS есть все, чего не хватает FAT. Мощные параметры контроля доступа? Пожалуйста. Отказоустойчивость и ведение журнала? Получите. Мгновенное сжатие и шифрование отдельных файлов, папок и целых томов диска? Конечно. Альтернативные потоки данных, повышенные меры безопасности, резервное копирование самой файловой системы и важных системных файлов и многие другие функции… Начиная с его первоначального выпуска в 1994 году, NTFS получала все новые обновления, в том числе, повышающие ее совместимость. Ее великолепный дизайн и простая реализация по-прежнему не имеют аналогов среди других файловых систем даже сегодня. Она достаточно универсальна для использования даже на смартфонах начального уровня под управлением Windows Phone 8 и 8.1. Но, если это такая отличная файловая система, почему ее не используют все и везде?

Как вы могли ожидать, NTFS не лишена недостатков. Разработанная еще в 1994 году для серверных операций, эта файловая система всегда требовала большой вычислительной мощности для поддержания своих многочисленных структур. Ее системные записи быстро растут, занимают драгоценное пространство и добавляют дополнительную нагрузку на эти устройства хранения, использующие флэш-память NAND. Наконец, если использовать что-либо, кроме больших жестких дисков, ее накладные расходы окажутся слишком велики, поэтому всеобщее признание система пока так и не завоевала. И последнее, но не менее важное: NTFS запатентована Microsoft, которые не желают открывать лицензии на эту файловую систему конкурентам.

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).

Что же такое файловая система и для чего она нужна?

Файловая система по-простому говоря, это система, которая служит для хранения файлов и папок на жестком диске или на другом носителе, флешке, телефоне, камере и т.д. А так же для упорядочивании файлов и папок: перемещения их, копирования, переименования. Так что за все ваши файлы отвечает эта система, вот почему она так важна.

Если выбрать неправильно файловую систему ваш компьютер может некорректно работать, зависать, виснуть, медленно поступать информация, а ещё хуже возможна порча данных. Это хорошо если не системных, а то появится синий экран. А ещё самое главное что если ваш компьютер будет тормозить по этой причине, никакие чистки от мусора как вручную так и программами не помогут!

Что такое ФС?

Файловая система – это инструмент, позволяющий операционной системе и программам обращаться к нужным файлам и работать с ними. При этом программы оперируют только названием файла, его размером и датой созданий. Все остальные функции по поиску необходимого файла в хранилище и работе с ним берет на себя файловая система накопителя.

Основные функции файловой системы:

• Фрагментация файлов и их распределение на носителе.
• Поиск файла при запросе программ.
• Участие в создании, чтении и удалении файлов.
• Работа с атрибутами файлов: изменение названия, размера, времени последнего изменения, доступ к файлу и многое другое.
• Каталогизация и организация файлов.
• Защита файлов от несанкционированного доступа и сбоев системы.
• Определение права доступа к файлам.
• Восстановление информации в случае сбоев.

Таким образом, файловая система устанавливает правила эксплуатации и организацию данных на накопителе, и тем самым экономит ресурсы операционной системы и рабочих программ. К тому же наличие файловой системы позволяет использовать накопитель на разных компьютерах без каких-либо предварительных настроек и оптимизации.

Файловых систем довольно много. Но рядовым пользователям с операционной системой Windows на десктопном ПК знакомы только две. О них и поговорим подробнее.

Возможности файловой системы

Учет свободных кластеров

Использование связного списка номеров свободных кластеров. В каждом кластере, входящем в список, помещаются номера свободных кластеров и ссылка на следующий кластер из списка. При этом в оперативной памяти достаточно хранить один кластер из списка.

Использование битового массива. Свободные кластеры помечаются 1, а занятые 0 (или наоборот). В оперативной памяти достаточно хранить один кластер битового массива. Выделяемые файлу свободные кластеры располагаются близко друг к другу, что приводит к увеличению быстродействия.

Дисковые квоты

Дисковая квота – максимальное количество файлов и блоков (кластеров), назначаемое пользователю для хранения данных.

Гибкий лимит – при превышении гибкого лимита во время регистрации пользователю выдается предупреждение, и счетчик предупреждений уменьшается на 1. Если счетчик равен 0, то в регистрации отказывается.

Жесткий лимит – лимит который не может быть превышен.

Резервное копирование

Резервное копирование это процесс создания на носителе, предназначенном для восстановления данных в оригинальном месте их расположения в случае их повреждения или разрушения.

Существуют следующие способы повышения эффективности и удобства резервного копирования:

• Сохранение не всей файловой системы, а только некоторых каталогов.
• Инкрементное резервное копирование: сохраняются только файлы, изменявшиеся после последнего резервного копирования.
• Хранение резервных копий на других носителях, а так же в удаленном месте.
• Сжатие резервируемых данных.
• Быстрое фиксирование состояния файловой системы путем копирования критических структур данных для решения проблемы изменения данных во время резервного копирования.
• Возможность восстановления в исходное место размещения, в другое место с сохранением структуры каталогов и без сохранения структуры.

Физическое резервное копирование это последовательное копирование всех кластеров диска.

Логическое резервное копирование это проверка каталогов и сохранение содержащихся в них информации.

Преимущества физического копирования:

• простота реализации;
• высокая скорость.

• резервирование свободных кластеров;
• невозможность восстановления отдельных файлов;
• невозможность инкрементного резервного копирования.

Логическое резервирование происходит следующим образом:

• Резервируются файлы, которые были изменены. Резервируются каталоги, содержащиеся в пути к этому файлу.
• Создается битовый массив, индексированный по номеру индексного дескриптора.
• Рекурсивно исследуется каталоги, пометки снимаются с каталогов, в которых нет модифицированных файлов и каталогов.
• Резервируются все помеченные каталоги, перед каталогом записывается его атрибуты.
• Резервируются все помеченные файлы, перед файлом записываются его атрибуты.
• Исследуются все элементы начального каталога и помечаются модифицированные файлы и все каталоги, в которых рекурсивно ищутся все модифицированные файлы.

Далее создается резервная копия.

Восстановление файловой системы из резервной копии происходит следующим образом:

1. Создается пустая файловая система.
2. Восстанавливаются данные последней полной архивации, сначала каталоги, а затем файлы.
3. Восстанавливаются данные из инкрементных резервных копий.
4. Восстанавливается список свободных кластеров.

Теперь вы знаете основы файловых систем.

Обучаю HTML, CSS, PHP. Создаю и продвигаю сайты, скрипты и программы. Занимаюсь информационной безопасностью. Рассмотрю различные виды сотрудничества.