Управление файлами, типы файлов, файловая система, атрибуты файла

Файловая структура компьютера – что это такое и зачем используется

Ни один современный электронный накопитель не обходится без файловой системы. Это своего рода операционная система жесткого диска, позволяющая ему управлять потоками данных и хранить их в необходимых форматах. Многие пользователи также называют ее файловой структурой. Необходимо разобраться, что такое файловая система и файловая структура (ФС), в чем их отличия.

Файл – набор зависимой друг от друга информации, которая хранится рядом друг с другом на жестком диске на долговременной основе. Он может представлять собой программы или данные определенных расширений, которые читаются только ими. Если какая то часть этой информации повреждается, то другая целая информация может быть попросту бесполезна без утерянной. Наиболее частыми операциям над ними являются:

• копирование;
• удаление;
• редактирование;
• переименование;
• перемещение.

Пример иерархической ФС изображен на рисунке:

ФС – это набор предустановленных программ, предусмотренный на любом современном носителе информации. В ней может храниться большое количество элементов, но это не все ее функции, так как она определяет также способ их хранения.

Каждый винчестер разделяется на две области: хранение данных и каталог. Каталог представляет собой хранилище, в котором находятся имя файла и его местонахождение на диске. Сейчас наиболее популярными системами являются: FAT16, FAT32, NTFC, exFAT.

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).

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).

Простейшие операции с папками

Собственно, с директориями можно производить практически все действия, относящиеся к файлам, за исключением редактирования в обычном понимании. Их можно копировать, удалять, перемещать, переименовывать, создавать иконки и т. д.

Создание директорий тоже сложности не представляет. Например, в том же «Проводнике» достаточно кликнуть правой кнопкой мыши на пустой области рабочей зоны и вызвать соответствующую команду. После этого будет создан новый каталог с названием «Новая папка» по умолчанию. Естественно, это не единственный способ. Можно использовать команды основного меню, специальные кнопки панели или стандартное сочетание Ctrl + Shift + N. А вообще, для разных файловых менеджеров существуют свои методы.

FAT (таблица размещения файлов)

FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. В ней определено, какие участки диска относятся к каждому файлу.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров.

FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных.

Структура таблицы размещения файлов:

FAT состоит из элементов длиной 16 /32/64 бита. Всего в таблице может быть до 65520 таких элементов, каждый из них (кроме первых двух) соответствует кластеру диска. Кластер является той единицей, в которой распределяется пространство в области данных на диске для файлов и каталогов. Первые два элемента таблицы (с номерами 0 и 1) зарезервированы, а каждый из остальных элементов таблицы описывает состояние кластера диска с тем же номером. Элемент может указывать, что кластер свободен, что кластер дефектный, что кластер принадлежит файлу и является последним кластером в файле. Если кластер принадлежит файлу и не является его последним кластером, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера в этом файле.

FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения.

Недостатки

Однако те же особенности рассматриваемых СУБД, которые стали их основными достоинствами, определяют также и их недостатки. К примеру, громоздкость и сложность логических связей — опытному специалисту при работе с ранее неизвестной базой будет трудно разобраться, а простой пользователь и вовсе в ней «заблудится». Эта сложность понимания приводит к тому, что на самом деле не так много СУБД построены на иерархической модели. Примером иерархической базы данных является, кроме уже описанного продукта компании «АйБиЭм», «Ока» и МИРИС (производство России), а также Data Edge и Team-UP (от зарубежных корпораций).

Иерархическая база данных — это многообразие различных уровней, на которых строятся взаимосвязи. Схематично она выглядит как перевернутый граф. Пример иерархической базы данных — любое государственное административное учреждение. Взять, допустим, школу.

На самом верхней уровне будет располагаться «лидер» администрации — директор. В его подчинении завучи, у завучей — преподаватели, который руководят параллелями классов. В каждой параллели энное их количество, а в каждом классе есть некоторое число учеников.

По такому же принципу можно расписать и управление какой-нибудь корпорацией. Глава компании или даже совет директоров на самом верху. Далее — все большее количество подразделений, в каждом из которых действует своя структура. Есть и общие черты: начальник в каждом отделе, его помощник, его секретарь, собственно, офисные сотрудники и так далее.

• Сейчас обучается 66 человек из 28 регионов

Лк 6 Структура хранения данных на внешних носителях информации

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом.
Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.
Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Файловая система
Файловая система – это порядок размещения, хранения и именования данных на носителе информации.
Файловые системы решают несколько задач:
Определяют правила построения имен файлов и каталогов;
Определяют, как именно размещаются файлы на диске;
Предоставляют программам функции для работы с файлами;
Обеспечивают защиту данных в случае сбоев и ошибок;
Обеспечивают установку прав доступа к данным для каждого пользователя;
Обеспечивают совместную работу с файлами.

Файловая структура
Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки).
Каталоги (папки) – важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много.
Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т. п.).
Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными.
Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.
Все современные операционные системы позволяют создавать каталоги. Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу, хотя негласно для каталогов не принято задавать расширения имен. Все промежуточные каталоги разделяются между собой обратной косой чертой ().

Имя файла состоит из двух частей:
собственно имени и расширения файла.
В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем.

В зависимости от расширения все файлы делятся на две большие группы: исполняемые и неисполняемые.

Исполняемые файлы – это такие файлы, которые могут выполняться самостоятельно, т. е. не требуют каких-либо специальных программ для их запуска. Имеют следующие расширения:
– exe – готовый к исполнению файл (tetris.exe; winword.exe);
– com – файл операционной системы (command.com);
– sys – файл операционной системы (Io.sys);
– bat – командный файл операционной системы MS-DOS (autoexec.bat).

Неисполняемые файлы для запуска требуют установки специальных программ. Так, например, для того чтобы просмотреть текстовый документ, требуется наличие какого-либо текстового редактора.
По расширению неисполняемого файла можно судить о типе данных, хранящихся в данном файле. Вот несколько примеров:

Физическая структура хранения информации
Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

Файловая структура
Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах).
Наименьшей физической единицей хранения информации является сектор. Размер сектора равен 512 байт.
Группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к информации. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Дерево каталогов в операционной системе Windows строится отдельно для каждого диска

FAT-16
Файловая система, наиболее распространенная на IBM PC-совместимых компьютерах, была введена еще в начале 80-х годов в операционных системах MS DOS 1.0 и 2.0. Эта файловая система достаточно примитивна, так как она была создана для хранения данных на дискетах. Обычно эта файловая система называется FAT, так как самой важной структурой данных в ней является таблица размещения файлов на диске, по-английски – file allocation table, сокращенно – FAT. Эта таблица содержит информацию о том, какие участки (кластеры) диска свободны, и о цепочках кластеров, образующих файлы и каталоги.
В файловой системе FAT имена файлов и каталогов должны состоять не более чем из 8 символов плюс три символа в расширении имени.

FAT 32
При разработке Windows 95 фирма Microsoft решила не вводить новую файловую систему, а залатать имеющуюся файловую систему FAT, позволив присваивать файлам и каталогам длинные имена. Эта файловая система стала называться FAT 32. Принятый в Windows 95 подход хорош тем, что позволяет использовать старые диски с файловой системой FAT – на них просто начинают записываться длинные имена. Но все же это решение весьма искусственное, и многие программы – для починки файловой системы дисков, «сжатия» дисков, резервного копирования и т. д., – могут привести к потере длинных имен на диске. FAT 32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство.

NTFS
При разработке операционной системы Windows NT была создана новая файловая система – NTFS. Она была ориентирована на диски большого объема, содержащие множество файлов, в них приняты существенные меры по обеспечению эффективности хранения данных и контроля доступа к ним.
Эта файловая система поддерживает длинные имена файлов. На логических дисках емкостью 1–2 Гбайта файловая система NTFS позволяет хранить в среднем на 10–15 % больше информации, чем FAT. А доступ к файлам в ней осуществляется заметно быстрее, особенно в многозадачной среде.
NTFS дублирует всю критически важную информацию и обеспечивает регистрацию всех изменений на дисках в специальном файле регистрации, причем для каждого изменения запоминается и способ его отмены. В результате практически при любых сбоях NTFS автоматически восстанавливается.

CDFS
Особая файловая система разработана для компакт-дисков (CD-ROM). Это оказалось необходимым, так как само физическое устройство компакт-дисков не такое, как у жестких дисков или дискет: в них информация записывается не в кольцевых дорожках, а в единственной спиралеобразной дорожке (как у аудиокомпакт-дисков). Эта файловая система называется CDFS