Интерфейс операционной системы windows файловая система

Особенности
ОС
Windows:

• Многозадачность
  – одновременное выполнение нескольких
  программ;

• Многооконный
  графический интерфейс;

• Обмен
  данными между различными приложениями
  Windows;

• Эффективная
  работа с ОЗУ;

• Использование
  длинных и русскоязычных имен файлов;

• Автоматическая
  настройка различных внешних устройств;

• Возможность
  работы в сети.

Интерфейс ОС Windows	команда
меню	общее
контекстное
панель
комбинации клавиш
функциональная клавиатура

1. Буфер обмена. Работа с объектами в Windows.

Буфер
обмена
– область памяти ПК, доступная любому
из приложений Windows
и предназначенная для временного
хранения информации.

При
занесении новой информации в буфер
обмена старая информация стирается.

Основные
объекты
Windows:
папки, файлы (программы, документы и
т.д.), ярлыки, пиктограммы, окна.

Файл
– это поименованная часть памяти,
объединенная общей структурой и
назначением.

Ярлык
– файл маленького размера, содержащий
ссылку на другой файл. Пиктограмма
ярлыка используется для быстрого запуска
программ.

Файлы
на диске хранятся в каталогах
(или
папках).
Каждый каталог может содержать в себе
как файлы, так и другие каталоги.

1. Файловая система. Программа Проводник.

Совокупность
файлов и каталогов диска называют
файловой
систе­мой,
которая имеет древовидную структуру.

Самый
главный каталог диска, содержащий в
себе все другие каталоги, называет­ся
корневым
и
обозначается как D:
, где D
– имя текущего диска (для дисководов
гибких магнитных дисков выделены имена
А:
и В:
, для ос­тальных – начиная с С:).

Если
каталог Б содержится в каталоге А,
то го­ворят, что А
– родительский
каталог,
а Б
– дочерний каталог.

Каталог, содержащийся
в корневом каталоге диска, называют
каталогом первого уровня. Каталог,
содержащийся в каталоге первого уровня,
называют каталогом второго уровня и
т.д.

Программа
Проводник – программа, отображающая
файловую структуру ПК. Запуск: Пуск –
Программы – Проводник (в Windows
98), Пуск – Программы – Стандартные –
Проводник (Windows
XP).

В левой
части окна программы Проводник (Рисунок 1)
расположена область с иерархической
древовидной структурой папок, что
позволяет быстро обратиться к любому
диску или каталогу (папке) ПК. В правой
части окна выводится содержимое активной
папки.

Рисунок 1

1. Встроенные
   приложения Windows.

К
встроенным приложениям относят
калькулятор (calc.exe),
блокнот (notepad.exe),
текстовый редактор WordPad
(Wordpad.exe
или Write.exe),
графический редактор Paint
(mspaint.exe),
обозреватель интернета Internet
Explorer
(Iexplore.exe),
таблица символов (charmap.exe)
и др. Между ними возможен обмен информации
через буфер обмена.

1. Текстовые процессоры. Ms Word.

Назначение
ТП: создание, корректировка, обработка,
оформление и печать текстового документа.

Основные
элементы простого текстового документа
и функции, применяемые к ним.

Основные
элементы: символ, абзац, фрагмент, сноска,
колонтитул, таблица, объект.

Символ
– установка шрифта (в MS
Word
Меню Формат – команда Шрифт, или
соответствующие кнопки на Панели
инструментов Форматирование):

• конфигурация
  (гарнитура, тип);

• размер
  (кегль, point=1/72
  дюйма);

• начертание
  (обычный, курсив, полужирный и их
  комбинации);

• эффекты
  (подчеркивание, цвет, интервал,
  верхний/нижний индекс, с тенью);

анимация
(выделение цветом, геометрическими
фигурами, муравьи, мерцание и т.п.).

Абзац
– часть текстового документа, расположенная
между двумя нажатиями клавиши <Enter>.

Применяемые
функции:

• форматирование:
  выравнивание, отступы, первая строка,
  интервал междустрочный, интервал между
  абзацами (в MS
  Word
  Меню Формат – команда Абзац);

• выделение
  цветом, внешние границы (в MS
  Word
  Меню Формат – команда Границы и заливка);

• список:
  нумерованный, маркированный, многоуровневый
  (в MS
  Word
  Меню Формат – команда Список). Завершение
  списка – двойное нажатие <Enter>.

В
MS
Word
эти функции можно применить также с
помощью соответствующих кнопок на
панели инструментов Форматирование.

Фрагмент
– часть документа, маркированная
каким-либо образом (MS
Word
– цветом)

Начало
фрагмента в месте расположения текстового
курсора (мигающая вертикальная черта)
далее выделение цветом с помощью <Shift>
+ <←>,<↑>,<→> или <↓> .

Или
в начале фрагмента
нажать

,
в конце фрагмента отпустить.

Применяемые
функции:

• копирование
  (используя буфер обмена или нажать

  + <Ctrl>
  и указать место вставки);

• перемещение
  (используя буфер обмена или нажать

  и указать место вставки);

• удаление
  (клавиши <Delete>
  или <Backspace>,
  а также
  используя
  меню или панель инструментов);

• перенос
  в другой документ (используя буфер
  обмена);

• замена
  при вводе;

• форматирование
  нескольких абзацев (аналогично одному
  абзацу);

• сортировка
  (Меню Таблица – команда Сортировка);

• тиражирование;

• печать
  (Меню Файл – команда Печать – Выделенный
  фрагмент).

Сноска
– расшифровка или пояснение чего-либо.
Типы сносок: обычная – на текущем листе
внизу текста или внизу страницы; концевая
– в конце раздела или документа.

Символ
сноски располагается непосредственно
за словом, к которому даны пояснения. В
поле сноски содержится текст расшифровки
или пояснения. Располагается поле сноски
в соответствии с типом сноски.

В
MS
Word
вставка сноски выполняется с помощью
меню Вставка – Сноска (для MS
Office
2003 меню Вставка – Ссылка – Сноска)

Колонтитул
– информация, которая автоматически
выводится на каждой странице. Бывают
Верхний и Нижний – в соответствии с
положением на странице. Могут различаться
колонтитул Первой страницы, колонтитулы
четных и нечетных страниц, колонтитулы
разделов (начало и конец раздела
определяется пользователем).

В
MS
Word
вставка колонтитула осуществляется
вызовом меню Вид – команда Колонтитулы.
Для редактирования существующего
колонтитула достаточно дважды щелкнуть

на поле колонтитула.

Таблица
– информация, разделенная на ячейки
вертикальными и горизонтальными
границами. Или иначе – совокупность
ячеек, которые объединены в строки и
столбцы.

Применяемые
функции:

• автоформат;

• форматирование:
  выравнивание, отступы, первая строка,
  интервал междустрочный аналогично
  форматированию абзаца (можно с помощью
  линейки форматирования и маркеров
  начала абзаца, конца абзаца и первой
  строки, а также табуляторов);

• выделение
  цветом, внешние границы аналогично
  форматированию абзаца;

• вставка/удаление
  строк/столбцов, ячеек, таблицы;

• автоподбор
  ширины и высоты ячеек;

• обтекание
  текстом (В MS
  Word
  после 2000 меню Таблица­ – команда
  Свойства таблицы);

• формула
  – выполнение несложных расчетов;

• заголовки
  – для представления в нужном виде
  данных, содержащихся в таблице, занимающей
  несколько страниц;

• объединить/разбить
  ячейки;

• сортировка;

• направление
  текста (В MS
  Word
  меню Формат – команда Направление
  текста или с помощью контекстного
  меню);

• отобразить/скрыть
  сетку.

В
MS
Word
создание таблицы: меню Таблица – команда
Добавить таблицу (для MS
Office
2003 меню Таблица – команда Вставить –
Таблица) или кнопка

на стандартной панели инструментов.

Объекты.
Различают: встроенные (автофигуры,
геометрические элементы и стрелки,
буквица, надпись); собственные приложения
(выбираются необходимые на этапе
инсталляции: MS
Equation,
MS
Qrganization
Chart;
WordArt;
картинки; рисунки и т.д.); внешние (другие
программные средства).

Общие
функции:

• копирование;

• перемещение;

• изменение
  размера;

• изменение
  угла наклона (не во всех ТП);

• удаление;

• формат
  объекта: цвета и линии, размер, положение
  (обтекание, разрешить перекрытие),
  рисунок и т.д.;

• группировка
  – фиксация объектов друг относительно
  друга;

• распределение
  – выравнивание объектов, которые не
  перекрывают друг друга (меню Действие
  на панели Рисование – выровнять/распределить;
  для MS
  Office
  2003 меню Рисование на панели Рисование
  – выровнять/распределить); выравнивание
  относительно страницы, распределение
  по вертикали или горизонтали;

• порядок
  объектов (верхний шар, нижний) – за/перед
  текстом, на задний/передний план;

• настройка
  изображения (меню Изображение – оттенки;
  контрастность; яркость; тип линий;
  обтекание; обрезка).

Индивидуальные
(локальные) функции объектов: контекстное
меню, встроенное меню, панели инструментов.

Приложение
MS
Equation
– редактор формул. Запуск редактора
формул: меню Вставка – команда Объект
– Microsoft
Equation
3.0. Или кнопка

на панели инструментов (добавляется на
панель пользователем). Для редактирования
существующей формулы дважды щелкнуть
мышью на поле формулы.

Приложение
MS
Qrganization
Chart
– редактор схем. Запуск редактора схем:
меню Вставка – команда Объект – Microsoft
Qrganization
Chart
2.0. Специальные символы импортируются
из Таблицы символов или из Wordа.
Надписи вне блока можно ввести с помощью
кнопки

.
Завершение работы: Выход и возврат в
документ.

MS
WordArt
– художественные надписи. Кнопка

на панели инструментов Рисование.
Позволяет выполнить надпись в трехмерном
виде, выбрать фон, тип линий контура,
форму, направление текста. Для внедрения
спецсимволов в WordArt
необходимо выделить введенный символ
и запустить WordArt.

Надпись
– объект, который применяется для
группировки объектов.

Другие
средства работы с документом:

Возможно
включение функций автоматического
форматирования
документа: меню Формат – команда
Автоформат.

Нумерация
страниц:
меню Вставка – команда Номера страниц.

Разбивка
на страницы.
Для принудительного начала новой
страницы: меню Вставка – команда Разрыв
–

.
Нельзя применять многократное нажатие
клавиш <Enter>
или <Space>
(пробел).

Табуляция.
Позволяет выравнивать текст по центру,
левой или правой границе, разделителю
целой и дробной части или черте. Установка
позиций табуляции меню Формат – команда
Табуляция. В окне Табуляция можно
установить позицию табуляции, выбрать
выравнивание

и, если необходимо, выбрать заполнитель

.
Также возможны установка и форматирование
с помощью Линейки форматирования (Рисунок 2):

Рисунок 2

При
этом в кнопке выбора табуляторы могут
иметь вид:

– выравнивание
слева;

– выравнивание
справа;

– выравнивание
по центру;

– выравнивание
по разделителю (по десятичной точке);

– на
уровне маркера позиции табуляции будет
установлена вертикальная черта.

Разбиение
текста на колонки.
Меню Формат – команда Колонки. В окне
колонки можно выбрать количество
колонок, установить их ширину и промежуток
между ними.

Ввод
специальных символов.
Меню Вставка – команда Символ. В окне
Символ можно выбрать необходимый символ.
При необходимости можно назначить
сочетание клавиш, при нажатии на которые
в дальнейшем можно вставлять нужный
символ (выбрать символ и нажать кнопку
Сочетание клавиш). Кроме того для ряда
специальных символов есть уже назначенные
сочетания клавиш (Меню Вставка – команда
Символ – вкладка Специальные знаки),
которые можно использовать при вводе
документа.

Автокоррекция
текста при вводе. Меню Сервис – команда
Параметры автозамены.

Поиск
и замена.
Для поиска без изменений Меню Правка –
команда Найти. Для автоматической замены
информации Меню Правка – команда
Заменить.

Определение
параметров переноса
слов:
меню Сервис – Язык – Расстановка
переносов –

.

Определение
языка:
меню Сервис – команда Язык.

Проверка
правописания.
Меню Сервис – команда Правописание.

Отмена/повтор
последних действий.
Меню Правка – команда Отменить/команда
Повторить или соответствующие комбинации
клавиш (указаны в выпадающем меню). Также
возможно применение кнопок

на панели инструментов.

Включение/выключение
режима отображения Непечатаемых
символов.
Кнопка

на панели инструментов.

Форматирование
страницы.
Меню Файл – команда Параметры страницы.
Возможно изменение ориентации страницы,
размера бумаги, поля, различие колонтитула
и т.д.

Предварительный
просмотр документа.
Меню Файл – команда Предварительный
просмотр.

Печать
документа.
Меню Файл – команда Печать. В окне Печать
необходимо выбрать принтер, указать
диапазон печати, количество копий и,
если требуется, выбрать масштаб печати.

MS
Word.

Назначение
и основные элементы те же.

Начинать
работу с новым документом лучше с меню
Файл – команда Создать и вначале создать
шаблон или выбрать уже существующий.
Файлы шаблонов имеют расширение .dot.

Инициализация
MS
Word:
меню Пуск – Программы – Microsoft
office
– Microsoft
Word
или через контекстное меню – команда
Создать – документ Microsoft
Word.

Интерфейс
MS
Word:
Меню, контекстное меню, панель инструментов,
комбинации клавиш.

Окно
MS
Word.

Рисунок
3

Для начала работы
над новым документом необходимо
произвести следующие действия:

• Указать
  параметры рабочей страницы – поля,
  размер бумаги, различать колонтитулы,
  вертикальное выравнивание, нумерация
  строк и т.д. (меню Файл – Параметры
  страницы);

• установить
  режим отображения рабочей страницы
  (меню Вид – Разметка страницы/Структура/Обычный
  и т.п.);

• присвоить
  документу имя: Меню Файл – команда
  Сохранить как… В окне сохранение
  указать в поле Папка: путь сохранения
  (с помощью кнопки
  

  можно создать новую папку), в поле Имя
  файла: указать имя, в поле Тип файла:
  выбрать тип документа (RTF,
  Word
  97 и т.д.). Кроме того можно установить
  пароль для открытия или сохранения
  файла – в выпадающем меню Сервис –
  команда Параметры безопасности….

Рисунок
4

• Выполнить
  первичные настройки (меню Вид – Сервис
  – Параметры): автосохранение и т.д.

• Указать
  нумерацию страниц (меню Вставка –
  команда Номера страниц);

• Установить
  перенос слов (меню Сервис – Язык –
  Расстановка переносов –

  ).

Основные
правила ввода текста

• клавишу Enter
  нажимать только в конце абзаца;

• принудительный
  переход на новую строку – Shift–Enter;

• клавишу Пробел
  использовать только для разделения
  слов;

• перед знаками
  препинания (за исключением тире) пробел
  не ставить, после знака препинания
  пробел обязателен;

• скобки и кавычки
  не отделяются пробелами от текста,
  который в них содержится;

• для принудительного
  окончания текущей страницы нельзя
  использовать многократное нажатие
  клавиши Enter. Для этих
  целей применяют меню Вставка – команда
  Разрыв (в более поздних версиях MS
  Word можно использовать также комбинацию
  клавиш Ctrl-Enter).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Города Москвы

«Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова»

УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора По учебно-методической работе _____________________И.В. Бойцова «_____»________________2014 г.

Дисциплина: ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Методическое пособие по выполнению

ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ № 3

Программный интерфейс и файловая система

 ОС WINDOWS

(для специальности 230115 Программирование в компьютерных системах)

Автор: Г.Ш. Шакирова

Рассмотрено на заседании Цикловой комиссии 230113 Компьютерные системы и комплексы Протокол №____ от  «_____»_____2014 г. Председатель цикловой комиссии _________________Л.Ф. Сивцева

Москва 2014 г.

Практическое занятие № 3

Программный интерфейс и файловая система ОС Windows

Цель работы: ознакомиться с назначением и функциями программного интерфейса Windows API, ознакомиться с файловыми системами операционных систем Windows.

Задание: составить конспект «Программный интерфейс», составить сравнительную таблицу файловых систем для операционных систем Windows.

1. Теоретические сведения

Программный интерфейс операционных систем Windows

Программный интерфейс — система унифицированных связей, предназначенных для обмена информацией между компонентами одной или нескольких вычислительных систем. Программный интерфейс задает набор необходимых процедур, их параметров и способов обращения.

Для программиста – разработчика программных средств программный интерфейс понимается, прежде всего, как API  (англ. Application Programming Interface — интерфейс программирования приложений; по-русски чаще произносят [апи́]) — набор методов (функций), который программист может использовать для доступа к функциональности программного компонента (программы, модуля, библиотеки). API является важной абстракцией, описывающей функциональность «в чистом виде», безотносительно того, как реализована эта функциональность.

Прикладные программы – антивирусы, офисные приложения или игры – не могут напрямую обращаться к процессору или осуществлять вывод результатов на экран монитора. Если бы в код программы нужно было добавлять модули для выполнения всех таких стандартных операций, разработка программного обеспечения превратилась бы в довольно трудную задачу, а размер каждой программы был невообразимо большим. Поэтому на практике каждое приложение использует готовые функции операционной системы, которые и позволяют отображать картинку на экране или, например, выполнять распечатку текста.

Вызов этих функций происходит через специальные программные интерфейсы (API), которые связывают прикладные программы с операционной системой и устройствами компьютера. Если программе требуется записать файл на диск, она обращается к функции сохранения данных Windows. Приложение дает указание операционной системе: «Сохрани файл AБВГД на жесткий диск!», а Windows принимает эту команду и проделывает всю необходимую для записи файла работу: находит на жестком диске свободную область, резервирует это место под будущий файл и затем записывает туда информацию. Кроме того, система информирует программу о результате операции: прошло ли создание файла успешно или же возникли какие-либо проблемы. Таким образом, операционная система выступает «посредником» между программой и устройствами компьютера. В Windows функции посредника выполняет Win32 или 32-разрядный API. Для современных версий Windows самым известным графическим программным интерфейсом является DirectX – он служит для поддержки различных графических режимов.

Программы, разработанные для Windows, в большинстве случаев не будут работать под управлением других операционных систем, например, Linux или Mac OS. При этом верно и обратное, то есть программа для Mac OS не будет работать под управлением Windows. Основная причина этого кроется в том, что в системах используются уникальные API, на работу с которыми рассчитаны прикладные программы.

Для программиста – системного интегратора программный интерфейс это, прежде всего способ (правила, протокол, стандарт, язык) обмена данными между различными программами и/или информационными системами. Различные программные средства разрабатываются с помощью различных языков программирования и используют различные системы управления базами данных. В этой ситуации единственным способом организации обмена данными является их внешнее представление (экспорт) в каком-либо общепринятом формате и, соответственно, наличие средств понимания (импорта) внешних данных.

API – интерфейс прикладного программирования (иногда интерфейс программирования приложений). Другими словами, это те возможности (функции, переменные, константы, классы), которые предоставляет приложение для использования прикладными программами.

API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована.

Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как чёрный ящик, то API — это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дёргать, при этом ящик будет производить какие-то определенные действия понятные и необходимые пользователю, но пользователь, при этом, не имеет даже представления о их реализации.

Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию – высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов.

API операционных систем

Практически все операционные системы (Unix, Windows, Mac OS, и т. д.) имеют API, с помощью которого программисты могут создавать приложения для этой операционной системы. Главный API операционных систем – это множество системных вызовов.

В индустрии программного обеспечения общие стандартные API для стандартной функциональности имеют важную роль, так как они гарантируют, что все программы, использующие общий API, будут работать одинаково хорошо или, по крайней мере, типичным привычным образом. В случае API графических интерфейсов это означает, что программы будут иметь похожий пользовательский интерфейс, что облегчает процесс освоения новых программных продуктов.

Widows API

Windows API – общее наименование целого набора базовых функций интерфейсов программирования приложений операционных систем семейств Windows (от Windows 3.11 до Windows 98) и Windows NT корпорации «Microsoft». Является самым прямым способом взаимодействия приложений с Windows. Для создания программ, использующих Windows API, «Microsoft» выпускает SDK, который называется Platform SDK и содержит документацию, набор библиотек, утилит и других инструментальных средств.

Windows API был изначально спроектирован для использования в программах, написанных на языке C (или C++). Работа через Windows API — это наиболее близкий к системе способ взаимодействия с ней из прикладных программ. Более низкий уровень доступа, необходимый только для драйверов устройств, в текущих версиях Windows предоставляется через Windows Driver Model.

Win32 – 32х разрядный API для современных версий Windows. Самая популярная ныне версия. Базовые функции этого API реализованы в DLL kernel32.dll и advapi32.dll; базовые модули GUI — в user32.dll и gdi32.dll. Win32 появился вместе с Windows NT и затем был перенесён (в несколько ограниченном виде) в системы серии Windows 9x. В современных версиях Windows, происходящих от Windows NT, работу Win32 GUI обеспечивают два модуля: csrss.exe (Client/Server Runtime Subsystem), работающий в пользовательском режиме, и win32k.sys в режиме ядра. Работу же системных Win32 API обеспечивает ядро — ntoskrnl.exe

Win64 — 64-разрядная версия Win32, содержащая дополнительные функции для использования на 64-разрядных компьютерах. Win64 API можно найти только в 64-разрядных версиях Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows Server 2008 R2 и Windows 7.

Структура API-программ

Центральным понятием программирования в среде Windows является сообщение. Система посылает сообщение приложению, а то, в свою очередь, должно правильно отреагировать на него. Получателями сообщений являются функции окон приложения, на программирование которых и уходит большая часть времени при разработке API-приложений.

Классическая структура API-программы определяется четырьмя компонентами: инициализация; цикл ожидания, или цикл обработки сообщений; функция главного окна; другие функции. В простейшем случае последний компонент может отсутствовать. Два первых компонента располагаются в функции WinMain, остальные реализуются отдельными функциями.

Windows API спроектирован для использования в языке Си для написания прикладных программ, предназначенных для работы под управлением операционной системы MS Windows. Работа через Windows API — это наиболее близкий к операционной системе способ взаимодействия с ней из прикладных программ. Более низкий уровень доступа, необходимый только для драйверов устройств, в текущих версиях Windows предоставляется через Windows Driver Model.

Windows API представляет собой множество функций, структур данных и числовых констант, следующих соглашениям языка Си. Все языки программирования, способные вызывать такие функции и оперировать такими типами данных в программах, исполняемых в среде Windows, могут пользоваться этим API. В частности, это языки C++, Pascal, Visual Basic и многие другие.

Для облегчения программирования под Windows, в компании Microsoft и сторонними разработчиками было предпринято множество попыток создать библиотеки и среды программирования, частично или полностью скрывающие от программиста особенности Windows API, и предоставляющие ту или иную часть его возможностей в более удобном виде. В частности, сама Microsoft в разное время предлагала библиотеки Active Template Library (ATL)/Windows Template Library (WTL), Microsoft Foundation Classes (MFC), .Net/WinForms/WPF. Компания Borland (ныне Embarcadero, её преемник в части средств разработки) предлагала OWL и VCL. Есть кросс-платформенные библиотеки, такие как Qt, Tk и многие другие. Весомая часть этих библиотек сконцентрирована на облегчении программирования графического интерфейса пользователя.

Для облегчения переноса на другие платформы программ, написанных с опорой на Windows API, сделана библиотека Wine.

Файловые системы операционных систем Windows

Одной из важнейших характеристик операционной системы помимо управления памятью, ресурсами компьютера и задачами является поддержка файловой системы — основного хранилища системной и пользовательской информации. Каждая файловая система имеет свои достоинства и недостатки, которые мы обсудим ниже.

В различных операционных системах фирмы Microsoft поддерживаются различные файловые системы (табл. 1).

Таблица 1

Операционная система	Файловая система
Microsoft Windows 2000	NTFS, FAT16, FAT32
Microsoft Windows NT	NTFS, FAT16
Microsoft Windows 98	FAT16, FAT32
Microsoft Windows 95 OSR2	FAT16, FAT32
Microsoft Windows 95	FAT16
Microsoft MS-DOS	FAT16

Как видно из данной таблицы, наиболее популярной и широко используемой файловой системой является FAT.

Файловые системы FAT

FAT16

Файловая система FAT16 начала свое существование еще во времена, предшествовавшие MS-DOS, и поддерживается всеми операционными системами Microsoft для обеспечения совместимости. Ее название File Allocation Table (таблица расположения файлов) отлично отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристикам которой можно отнести то, что максимальный размер поддерживаемого тома (жесткого диска или раздела на жестком диске) не превышает 4095 Мбайт. Во времена MS-DOS 4-гигабайтные жесткие диски казались несбыточной мечтой (роскошью были диски объемом 20-40 Мбайт), поэтому такой запас был вполне оправданным.

Том, отформатированный для использования FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера по умолчанию зависит от размера тома и может колебаться от 512 байт до 64 Кбайт. В табл. 2 показано, как размер кластера зависит от размера тома. Отметим, что размер кластера может отличаться от значения по умолчанию, но должен иметь одно из значений, указанных в табл. 2.

Таблица 2

Размер тома (Мбайт)	Число секторов в кластере	Размер кластера (Кбайт)
0-32	1	0,5 (512 байт)
33-64	2	1
65-128	4	2
129-255	8	4
256-511	16	8
512-1023	32	16
1024-2047	64	32
2048-4095	128	64

Не рекомендуется задействовать файловую систему FAT16 на томах больше 511 Мбайт, так как для относительно небольших по объему файлов дисковое пространство будет использоваться крайне неэффективно (файл размером в 1 байт будет занимать 64 Кбайт). Независимо от размера кластера файловая система FAT16 не поддерживается для томов больше 4 Гбайт.

На рис. 1 показано, как организован том при использовании файловой системы FAT16.

Рис. 1. Организация томов FAT 16

В файловой системе FAT16 кластеры могут иметь различное значение. Например, это может быть свободный (неиспользуемый) кластер, кластер, занятый файлом, дефектный кластер или последний кластер файла.

Единственным различием между корневым и другими каталогами является то, что первый располагается в определенном месте и имеет фиксированное число вхождений. Каждый каталог и файл используют одно или более вхождений. Например, если число фиксированных вхождений для корневого каталога равно 512 и создано 100 подкаталогов, в корневом каталоге можно создать не более 412 файлов (512 – 100).

Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация (в табл. 3 приведены данные для коротких имен файлов).

Таблица 3

Информация	Размер
Имя файла или каталога (xxxxxxxx.yyy)	88 бит
Байт атрибутов	8 бит
Резервный байт	8 бит
Время создания	24 бит
Дата создания	16 бит
Дата последнего доступа	16 бит
Два резервных байта	16 бит
Время последней модификации	16 бит
Дата последней модификации	16 бит
Номер начального кластера в FAT	16 бит
Размер файла	32 бит
Итого	32 байт

В структуре каталогов файлу отводится первый незанятый кластер, доступный на томе. Номер начального кластера позволяет определить местонахождение файла: каждый кластер содержит указатель на следующий кластер или значение FFFF, указывающее на то, что это последний кластер в цепочке кластеров, занимаемых файлом. Расположение файлов по кластерам показано на рис. 2.

Рис. 2. Расположение файлов по кластерам

Как видно из рис. 2, в папке расположены три файла. Первый из них — FILE1.EXT занимает три кластера (файл не фрагментирован, кластеры 2, 3 и 4 расположены последовательно), второй файл — FILE2.EXT фрагментирован и располагается в кластерах 5, 6 и 8, а третий — FILE2.EXT занимает всего один кластер. Вхождение для каждого файла содержит адрес его начального кластера (2, 5 и 7 соответственно). Последний кластер каждого файла (4, 8 и 7) в качестве адреса следующего кластера содержит значение FFFF, указывающее на то, что это последний кластер для данного файла.

Так как все вхождения имеют одинаковый размер информационного блока, они различаются по байту атрибутов. Один из битов в данном байте может указывать, что это каталог, другой — что это метка тома. Для пользователей доступны четыре бита, позволяющих управлять атрибутами файла — архивный (archive), системный (system), скрытый (hidden) и доступный только для чтения (read-only) .

FAT32

Начиная с Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 (OSR2) в Windows появилась поддержка 32-битной FAT. Для систем на базе Windows NT эта файловая система впервые стала поддерживаться в Microsoft Windows 2000. Если FAT16 может поддерживать тома объемом до 4 Гбайт, то FAT32 способна обслуживать тома объемом до 2 Тбайт. Размер кластера в FAT32 может изменяться от 1 (512 байт) до 64 секторов (32 Кбайт). Для хранения значений кластеров FAT32 требуется 4 байт (32 бит, а не 16, как в FAT16). Это означает, в частности, что некоторые файловые утилиты, рассчитанные на FAT16, не могут работать с FAT32.

Основным отличием FAT32 от FAT16 является то, что изменился размер логического раздела диска. FAT32 поддерживает тома объемом до 127 Гбайт. При этом, если при использовании FAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кбайт, то в FAT32 кластер размером в 4 Кбайт подходит для дисков объемом от 512 Мбайт до 8 Гбайт (табл. 4).

Таблица 4

Размер раздела (Гбайт)	Размер кластера по умолчанию (Кбайт)
Менее 8	4
8 и более, но менее 16	8
16 и более, но менее 32	16
32 и более	32

Это соответственно означает более эффективное использование дискового пространства — чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

При применении FAT32 максимальный размер файла может достигать 4 Гбайт минус 2 байта. Если при использовании FAT16 максимальное число вхождений в корневой каталог ограничивалось 512, то FAT32 позволяет увеличить это число до 65 535.

FAT32 накладывает ограничения на минимальный размер тома — он должен быть не менее 65 527 кластеров. При этом размер кластера не может быть таким, чтобы FAT занимала более 16 Мбайт–64 Кбайт / 4 или 4 млн. кластеров.

При использовании длинных имен файлов данные, необходимые для доступа из FAT16 и FAT32, не перекрываются. При создании файла с длинным именем Windows создает соответствующее имя в формате 8.3 и одно или более вхождений в каталог для хранения длинного имени (по 13 символов из длинного имени файла на каждое вхождение). Каждое последующее вхождение хранит соответствующую часть имени файла в формате Unicode. Такие вхождения имеют атрибуты «идентификатор тома», «только чтение», «системный» и «скрытый» — набор, который игнорируется MS-DOS; в этой операционной системе доступ к файлу осуществляется по его «псевдониму» в формате 8.3.

Файловая система NTFS

В состав Microsoft Windows 2000 входит поддержка новой версии файловой системы NTFS, которая, в частности, обеспечивает работу с сервисами каталогов Active Directory, точки пересчета (reparse points), средства защиты информации, контроль за доступом и ряд других возможностей.

Как и при использовании FAT, основной информационной единицей в NTFS является кластер. В табл. 5 показаны размеры кластеров по умолчанию для томов различной емкости.

Таблица 5

Размер тома (Мбайт)	Число секторов в кластере	Размер кластера (Кбайт)
512 и менее	1	0,5 (512 байт)
513-1024 (1 Гбайт)	2	1024
1025-2048 (2 Гбайт)	4	2048
Более 2049	8	4096

При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MFT зарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных $Mft и $MftMirr записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MFT повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В табл. 6 перечислены основные метаданные, хранимые в MFT.

Таблица 6

Системный файл	Имя файла	Запись MFT	Назначение
Master file table	$Mft	0	Содержит одну базовую файловую запись для каждого файла или каталога на томе NTFS. Если эта информация занимает более одной записи, создаются дополнительные записи
Master file table 2	$MftMirr	1	Копия первых четырех записей MFT. Гарантирует доступ к MFT в случае, если первый сектор поврежден
Log file	$LogFile	2	Содержит список действий, необходимых для восстановления NTFS. Размер зависит от размера тома. Используется Windows 2000 для восстановления файловой системы в случае системных сбоев
Volume	$Volume	3	Содержит информацию о томе — метку и номер версии
Attribute definitions	$AttrDef	4	Таблица имен атрибутов и описания
Root file name index	$	5	Корневой каталог
Cluster bitmap	$Bitmap	6	Информация о том, какие кластеры заняты
Boot sector	$Boot	7	Содержит код загрузки для загрузочных томов
Bad cluster file	$BadClus	8	Информация о дефектных секторах
Security file	$Secure	9	Содержит уникальные дескрипторы для всех файлов
Upcase table	$Upcase	10	Используется для преобразования символов нижнего регистра в соответствующие Unicode-символы верхнего регистра
NTFS extension file	$Extend	11	Используется различными службами операционной системы — службой квот, службой пересчета и идентификаторами объектов
		12-15	Зарезервировано для будущих версий

Остальные записи MFT содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе.

Обычно один файл использует одну запись в MFT, но если у файла большой набор атрибутов или он становится слишком фрагментированным, то для хранения информации о нем могут потребоваться дополнительные записи. В этом случае первая запись о файле, называемая базовой записью, хранит местоположение других записей. Данные о файлах и каталогах небольшого размера (до 1500 байт) полностью содержатся в первой записи.

Атрибуты файлов в NTFS

Каждый занятый сектор на NTFS-томе принадлежит тому или иному файлу. Даже метаданные файловой системы являются частью файла. NTFS рассматривает каждый файл (или каталог) как набор файловых атрибутов. Такие элементы, как имя файла, информация о его защите и даже данные в нем, являются атрибутами файла. Каждый атрибут идентифицируется кодом определенного типа и, опционально, именем атрибута.

Если атрибуты файла вмещаются в файловую запись, они называются резидентными атрибутами. Такими атрибутами всегда являются имя файла и дата его создания. В тех случаях, когда информация о файле слишком велика, чтобы вместиться в одну MFT-запись, некоторые атрибуты файла становятся нерезидентными. Резидентные атрибуты хранятся в одном или более кластерах и представляют собой поток альтернативных данных для текущего тома (об этом — чуть ниже). Для описания местонахождения резидентных и нерезидентных атрибутов NTFS создает атрибут Attribute List.

В табл. 7 показаны основные атрибуты файлов, определенные в NTFS. В будущем этот список может быть расширен.

Таблица 7

Атрибут	Описание
Standard Information	Содержит такую стандартную информацию, как дата создания и число ссылок
Attribute List	Список местонахождения всех атрибутов, размещенных вне записи MFT
File Name	Повторяющийся атрибут для длинных и коротких имен файлов. Длинное имя файла состоит из 13-255 символов Unicode, короткое представлено в формате 8.3. Возможно использование дополнительных имен, например, в формате POSIX
Security Descriptor	Информация о том, кто является владельцем файла и кто имеет доступ к файлу
Data	Данные, содержащиеся в файле. NTFS позволяет использовать более одного атрибута этого типа для каждого файла. Каждый файл обычно имеет один неименованный атрибут типа Data. Помимо этого файл может иметь дополнительные именованные атрибуты данного типа, каждый из которых использует собственный синтаксис
Object ID	Уникальный в рамках тома идентификатор файла. Используется сервисом слежения за ссылками
Logged Tool Stream	Схож с потоковыми операциями, но в данном случае изменения заносятся в протокол. Используется Encrypting File System (EFS) — файловой системой с шифрованием, поддерживаемой в Windows 2000
Reparse Point	Используется при монтировании томов, драйверами-фильтрами и в ряде других случаев
Index Root	Используется для реализации каталогов и других индексов
Index Allocation	Используется для реализации каталогов и других индексов
Bitmap	Используется для реализации каталогов и других индексов
Volume Information	Используется только в системном файле $Volume. Содержит версию тома
Volume Name	Используется только в системном файле $Volume. Содержит метку тома

Файловая система CDFS

В ОС Windows 95 и старше обеспечивается поддержка файловой системы CDFS, отвечающей стандарту ISO’9660, описывающему расположение информации на CD-ROM. Поддерживаются длинные имена файлов в соответствии с ISO’9660 Level 2.

При создании CD-ROM для использования под управлением Windows  следует иметь в виду следующее:

все имена каталогов и файлов должны содержать менее 32 символов;

все имена каталогов и файлов должны состоять только из символов верхнего регистра;

глубина каталогов не должна превышать 8 уровней от корня;

использование расширений имен файлов не обязательно.

Universal Disk Format

Поддержка файловой системы UDF является одним из новшеств в Windows 2000. Universal Disk Format — это файловая система, отвечающая стандарту ISO’13346 и используемая для обмена данными с накопителями CD-ROM и DVD. В настоящее время поддерживаются только диски версий UDF 1.02 и 1.50.

Сравнение файловых систем

Под управлением Microsoft Windows 2000 возможно использование файловых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Выбор операционной системы зависит от следующих критериев:

того, как используется компьютер;

аппаратной платформы;

размера и числа жестких дисков;

безопасности информации.

Файловые системы FAT

Цифры в названии файловых систем — FAT16 и FAT32 — указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до 216 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 228.

В табл. 8 показаны размеры кластеров для файловых систем FAT16 и FAT32.

Таблица 8

Размер диска	Размер кластера FAT16 (Кбайт)	Размер кластера FAT32 (Кбайт)
260-511 Мбайт	8	Не поддерживается
512-1023 Мбайт	16	4
1024-2 Гбайт	32	4
2-8 Гбайт	Не поддерживается	4
8-16 Гбайт	Не поддерживается	8
16-32 Гбайт	Не поддерживается	16
Более 32 Гбайт	Не поддерживается	32

Помимо существенных отличий в размере кластера FAT32 также позволяет корневому каталогу расширяться (в FAT16 число вхождений ограничено 512 и может быть даже ниже при использовании длинных имен файлов).

Преимущества FAT16

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

файловая система поддерживается операционными системами MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми операционными системами UNIX;

существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;

при возникновении проблем с загрузкой с жесткого диска система может быть загружена с флоппи-диска;

данная файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мбайт.

Недостатки FAT16

К основным недостаткам FAT16 относятся:

корневой каталог не может содержать более 512 элементов. Использование длинных имен файлов существенно сокращает число этих элементов;

FAT16 поддерживает не более 65 536 кластеров, а так как некоторые кластеры зарезервированы операционной системой, число доступных кластеров — 65 524. Каждый кластер имеет фиксированный размер для данного логического устройства. При достижении максимального числа кластеров при их максимальном размере (32 Кбайт) максимальный объем поддерживаемого тома ограничивается 4 Гбайт (под управлением Windows 2000). Для поддержания совместимости с MS-DOS, Windows 95 и Windows 98 объем тома под FAT16 не должен превышать 2 Гбайт;

не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

в FAT16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;

на дисках большого объема теряется много места за счет того, что используется максимальный размер кластера. Место под файл выделяется исходя из размера не файла, а кластера.

Преимущества FAT32

Среди преимуществ FAT32 можно отметить следующие:

выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;

корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска. Благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;

за счет использования кластеров меньшего размера (4 Кбайт на дисках объемом до 8 Гбайт) занятое дисковое пространство обычно на 10-15% меньше, чем под FAT16;

FAT32 является более надежной файловой системой. В частности, она поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использования резервной копии FAT. Помимо этого загрузочная запись содержит ряд критичных для файловой системы данных.

Недостатки FAT32

Основные недостатки FAT32:

размер тома при использовании FAT32 под Windows 2000 ограничен 32 Гбайт;

тома FAT32 недоступны из других операционных систем — только из Windows 95 OSR2 и Windows 98;

не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

в FAT32 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

Файловая система NTFS

При работе в Windows 2000 и старше Microsoft рекомендуется отформатировать все разделы жесткого диска под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько операционных систем (кроме Windows 2000 и Windows NT). Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:

возможность восстановления. Эта возможность «встроена» в файловую систему. NTFS гарантирует сохранность данных за счет того, что использует протокол и некоторые алгоритмы восстановления информации. В случае системного сбоя NTFS использует протокол и дополнительную информацию для автоматического восстановления целостности файловой системы;

сжатие информации. Для томов NTFS Windows 2000 поддерживает сжатие отдельных файлов. Такие сжатые файлы могут использоваться Windows-приложениями без предварительной распаковки, которая происходит автоматически при чтении из файла. При закрытии и сохранении файл снова упаковывается;

помимо этого можно выделить следующие преимущества NTFS:

— некоторые функции операционной системы требуют наличия NTFS;

— скорость доступа намного выше — NTFS минимизирует число обращений к диску, требуемых для нахождения файла;

— защита файлов и каталогов. Только на томах NTFS возможно задание атрибутов доступа к файлам и папкам;

— при использовании NTFS Windows 2000 поддерживает тома объемом до 2 Тбайт;

— файловая система поддерживает резервную копию загрузочного сектора — она располагается в конце тома;

— NTFS поддерживает систему шифрования Encrypted File System (EFS), обеспечивающую защиту от неавторизованного доступа к содержимому файлов;

— при использовании квот можно ограничить объем дискового пространства, занимаемого пользователями.

Недостатки NTFS

Говоря о недостатках файловой системы NTFS, следует отметить, что:

NTFS-тома недоступны в MS-DOS, Windows 95 и Windows 98. Помимо этого ряд функций, реализованных в NTFS под Windows 2000, недоступен в Windows 4.0 и более ранних версиях;

для томов небольшого объема, содержащих много файлов небольшого размера, возможно снижение производительности по сравнению с FAT.

Файловая система и скорость

Для томов небольшого объема FAT16 или FAT32 обеспечивает более быстрый доступ к файлам по сравнению с NTFS, так как:

FAT обладает более простой структурой;

размер каталогов меньше;

FAT не поддерживает защиту файлов от несанкционированного доступа — системе не нужно проверять права доступа к файлам.

NTFS минимизирует число обращений к диску и время, необходимое для нахождения файла. Кроме того, если размер каталога достаточно мал, чтобы поместиться в одной записи MFT, вся запись считывается за один раз.

Одно вхождение в FAT содержит номер кластера для первого кластера каталога. Для просмотра файла FAT требуется поиск по всей файловой структуре.

Сравнивая скорость операций, выполняемых для каталогов, содержащих короткие и длинные имена файлов, следует учитывать, что скорость операций для FAT зависит от самой операции и размера каталога. Если FAT ищет несуществующий файл, поиск выполняется по всему каталогу — эта операция занимает больше времени, чем поиск по структуре, основанной на B-деревьях, используемой в NTFS. Среднее время, необходимое для поиска файла, в FAT выражается как функция от N/2, в NTFS — как log N, где N — это число файлов.

Ряд следующих факторов влияет на скорость чтения и записи файлов под управлением Windows 2000:

фрагментация файла. Если файл сильно фрагментирован, NTFS обычно требуется меньше обращений к диску, чем FAT для нахождения всех фрагментов;

размер кластера. Для обеих файловых систем размер кластера по умолчанию зависит от объема тома и всегда выражается степенью числа 2. Адреса в FAT16 — 16-битные, в FAT32 — 32-битные, в NTFS — 64-битные;

размер кластера по умолчанию в FAT базируется на том факте, что таблица расположения файлов может иметь не более 65 535 вхождений — размер кластера представляет собой функцию от объема тома, деленного на 65 535. Таким образом, размер кластера по умолчанию для тома FAT всегда больше, чем размер кластера для тома NTFS того же объема. Отметим, что больший размер кластера для томов FAT означает, что тома FAT могут быть менее фрагментированными;

расположение файлов небольшого размера. При использовании NTFS файлы небольшого размера содержатся в MFT-записи. Размер файла, помещающегося в одну запись MFT, зависит от числа атрибутов этого файла.

Максимальный размер тома

Максимальный размер тома зависит от используемой файловой системы. Windows 2000 позволяет форматировать тома для трех файловых систем: FAT16, FAT32 и NTFS.

Максимальный размер томов FAT

FAT16 поддерживает до 65 535 кластеров на одном томе. Из этого факта вытекают ограничения, показанные в табл. 9.

Таблица 9

Описание	Ограничение
Максимальный размер файла	232 — 1 байт
Максимальный размер тома	4 Гбайт
Число файлов в томе	216

Под управлением Windows NT и Windows 2000 размер кластера FAT16 для томов размером от 2 до 4 Гбайт равен 64 Кбайт. Этот размер кластера используется для обеспечения совместимости с некоторыми приложениями (например, с программами установки, которые неверно высчитывают объем свободного пространства). Поэтому рекомендуется использовать FAT32 для томов размером от 2 до 4 Гбайт.

FAT32 работает с томами, на которых есть как минимум 65 527 кластеров, а максимальное число кластеров, поддерживаемых этой файловой системой для одного тома, — 4 177 918. Windows 2000 позволяет создавать тома размером до 32 Гбайт.

В табл. 10 показаны основные ограничения FAT32.

Таблица 10

Описание	Ограничение
Максимальный размер файла	232 — 1 байт
Максимальный размер тома	32 Гбайт
Число файлов в томе	Около 4 млн.

Максимальный размер томов NTFS

Теоретически NTFS поддерживает тома с числом кластеров до 232. Но, тем не менее, помимо отсутствия жестких дисков такого объема существуют и другие ограничения на максимальный размер тома.

Одним из таких ограничений является таблица разделов. Индустриальные стандарты ограничивают размер таблицы разделов 232 секторами. Другим ограничением является размер сектора, который обычно равен 512 байт. Поскольку размер сектора может измениться в будущем, текущий размер дает ограничение на размер одного тома — 2 Тбайт (232 x 512 байт = 241). Таким образом, 2 Тбайт является практическим пределом для физических и логических томов NTFS.

В табл. 11 показаны основные ограничения NTFS.

Таблица 11

Описание	Ограничение
Максимальный размер файла	264 — 1 Кбайт
Максимальный размер тома	2 Тбайт
Число файлов в томе	232 — 1 Кбайт

Управление доступом к файлам и каталогам

При использовании томов NTFS можно устанавливать права доступа к файлам и каталогам. Эти права доступа указывают, какие пользователи и группы имеют доступ к ним и какой уровень доступа допустим. Такие права доступа распространяются как на пользователей, работающих за компьютером, на котором располагаются файлы, так и на пользователей, обращающихся к файлам через сеть, когда файл располагается в каталоге, открытом для удаленного доступа.

Под NTFS можно также устанавливать разрешения на удаленный доступ, объединяемые с разрешениями на доступ к файлам и каталогам. Помимо этого файловые атрибуты (только чтение, скрытый, системный) также ограничивают доступ к файлу.

Под управлением FAT16 и FAT32 тоже возможно устанавливать атрибуты файлов, но они не обеспечивают права доступа к файлам.

В версии NTFS, используемой в Windows 2000, появился новый тип разрешения на доступ — наследуемые разрешения. Вкладка Security содержит опцию Allow inheritable permissions from parent to propagate to this file object, которая по умолчанию находится в активном состоянии. Данная опция существенно сокращает время, требуемое на изменение прав доступа к файлам и подкаталогам. Например, для изменения прав доступа к дереву, содержащему сотни подкаталогов и файлов, достаточно включить эту опцию — в Windows NT 4 необходимо изменить атрибуты каждого отдельного файла и подкаталога.

Напомним, что для томов FAT можно управлять доступом только на уровне томов и такой контроль возможен только при удаленном доступе.

Сжатие файлов и каталогов

В Windows 2000 поддерживается сжатие файлов и каталогов, расположенных на NTFS-томах. Сжатые файлы доступны для чтения и записи любыми Windows-приложениями. Для этого нет необходимости в их предварительной распаковке. Используемый алгоритм сжатия схож с тем, который используется в DoubleSpace (MS-DOS 6.0) и DriveSpace (MS-DOS 6.22), но имеет одно существенное отличие — под управлением MS-DOS выполняется сжатие целого первичного раздела или логического устройства, тогда как под NTFS можно упаковывать отдельные файлы и каталоги.

Алгоритм сжатия в NTFS разработан с учетом поддержки кластеров размером до 4 Кбайт. Если величина кластера больше 4 Кбайт, функции сжатия NTFS становятся недоступными.

Самовосстановление NTFS

Файловая система NTFS обладает способностью самовосстановления и может поддерживать свою целостность за счет использования протокола выполняемых действий и ряда других механизмов.

NTFS рассматривает каждую операцию, модифицирующую системные файлы на NTFS-томах, как транзакцию и сохраняет информацию о такой транзакции в протоколе. Начатая транзакция может быть либо полностью завершена (commit), либо откатывается (rollback). В последнем случае NTFS-том возвращается в состояние, предшествующее началу транзакции. Для того чтобы управлять транзакциями, NTFS записывает все операции, входящие в транзакцию, в файл протокола, перед тем как осуществить запись на диск. После того как транзакция завершена, все операции выполняются. Таким образом, под управлением NTFS не может быть незавершенных операций. В случае дисковых сбоев незавершенные операции просто отменяются.

Под управлением NTFS также выполняются операции, позволяющие «на лету» определять дефектные кластеры и отводить новые кластеры для файловых операций. Этот механизм называется cluster remapping.

Файловая система ReFS

ReFS (Resilient file system, предварительное название Protogon) — локальная файловая система, используемая в Windows Server 2012, Windows Server 2012 R2, Windows 8, Windows 8.1. Является дальнейшим развитием NTFS. Protogon поддерживает точки повторной обработки (reparse points) — технологию, которая ранее содержалась только в файловой системе NTFS. Через точки повторной обработки реализована поддержка символьных ссылок и точек монтирования в Windows, так что Protogon также поддерживает их. Protogon не поддерживается Windows 7 и более ранними системами.

Основные особенности

Улучшенная надёжность хранения информации на диске структур. ReFS использует B+ деревья (принцип, сходный с хранением данных в реляционных СУБД) как для метаданных, так и для содержимого файлов. Размеры файлов, томов, количество файлов в каталоге ограничены лишь 64-битным числом, что соответствует размеру файла в 16 эксбибайт, размеру тома в 1 йобибайт (при использовании кластеров данных размером 64 КиБ). Свободное место на диске описывается 3 отдельными иерархическими таблицами для малых, средних и больших фрагментов свободного пространства. Имена файлов и длина пути ограничена 32 кибибайтами, для их хранения используется Unicode.

Согласно предложению МЭК, назвать 260 байт «эксабайт» общепринято, но формально неверно, как приставка экса-, означает умножение на 1018, а не 260. Правильной для 260 является двоичная приставка эксби-. Таким образом, 1 ЭБ = 1018 Б, а 1 ЭиБ = 260 Б.

Таблица 12

Измерения в байтах
ГОСТ 8.417-2002	Приставки СИ	приставки МЭК
Название	Символ	Степень	Название	Степень	Название	Символ	Степень
байт	Б	100	—	100	байт	B	Б	20
килобайт	кБ	103	кило-	103	кибибайт	KiB	КиБ	210
мегабайт	МБ	106	мега-	106	мебибайт	MiB	МиБ	220
гигабайт	ГБ	109	гига-	109	гибибайт	GiB	ГиБ	230
терабайт	ТБ	1012	тера-	1012	тебибайт	TiB	ТиБ	240
петабайт	ПБ	1015	пета-	1015	пебибайт	PiB	ПиБ	250
эксабайт	ЭБ	1018	экса-	1018	эксбибайт	EiB	ЭиБ	260
зеттабайт	ЗБ	1021	зетта-	1021	зебибайт	ZiB	ЗиБ	270
йоттабайт	ЙБ	1024	йотта-	1024	йобибайт	YiB	ЙиБ	280

Поддержка стратегии Copy-on-write (копирование при записи, выделение при записи) для метаданных, при которой любые транзакции файловой системы не перезаписывают старые метаданные, а записываются в новый блок и организуются в пачки. Для всех метаданных в ReFS используются 64-битные контрольные суммы, хранящиеся независимо. Данные файлов могут иметь контрольную сумму в отдельном потоке (атрибут «integrity»). В случае, если содержимое файлов или метаданных не соответствует контрольным суммам, не требуется отключение файловой системы для удаления или восстановления таких данных. За счет встроенных проверок ReFS не требует регулярного использования утилит проверки диска типа CHKDSK.

Совместимость со старыми API, поддержка многих особенностей NTFS, например, шифрование BitLocker, Access Control Lists, USN Journal, уведомления об изменениях, символьные ссылки, junction point, точки монтирования, reparse point, снапшоты томов, идентификаторы файлов, NTFS oplock. ReFS интегрируется с технологией виртуализации носителей данных Storage Spaces, которая позволяет применять зеркалирование и объединять несколько физических носителей, как в рамках одного ПК, так и через сеть. При использовании зеркалирования ReFS может обнаруживать и исправлять сбойные копии файлов в процессе data scrubbing, при котором проводится фоновая сверка контрольных сумм.

Многие возможности NTFS не поддерживаются в ReFS, включая именованные потоки файлов (после проверки на Windows 10 TP ADS работает с ReFS. Для поддержки ReFS нужно вносить изменения в реестр), NTFS Distributed Link Tracking (DLT), короткие имена файлов (формат 8.3), сжатие файлов, шифрование на уровне файлов Encrypting File System, Transactional NTFS, жёсткие ссылки, extended attributes, и дисковые квоты. Разреженные файлы (Sparse files) поддерживаются в RTM.

1. Порядок выполнения работы

1.  Изучить главные особенности программного интерфейса ОС Windows.
2.  Изучить структуру API-программ.
3.  Ознакомиться с назначением и основными особенностями файловых систем ОС Windows.
4.  Составить сравнительную таблицу файловых систем ОС Windows в виде:

Файловая система	Операцион- ная система	Размер тома	Размер кластера (Кб)	Максимальный размер файла	Максимальный размер тома

1. Контрольные вопросы

1.  Дайте понятие программного интерфейса.
2. В чем отличительная особенность программного интерфейса Windows API.
3.  Какова структура API-программ?
4. Что такое файловая система, какую функцию она выполняет в среде операционной системы?
5.  Расскажите об основных особенностях файловой системы FAT16.
6. Расскажите об основных особенностях файловой системы FAT32.
7. Расскажите об основных особенностях файловой системы NTFS.
8. Расскажите об основных особенностях файловой системы ReFS.

Современный Windows — это операционная
система, управляющая работой персонального
компьютера. Windows имеет удобный графический
пользовательский интерфейс. В отличие от
старой операционной системы DOS с текстовым
интерфейсом, Windows не требует знания команд
операционной системы и их точного ввода с
клавиатуры. Подавляющее большинство
операций по управлению работой
персонального компьютера выполняются
манипулятором мышь над графическими
объектами Windows, либо короткими комбинациями
клавиш (горячими клавишами) на клавиатуре. 

Пользовательский интерфейс – это методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами компьютера.
Стартовый экран Windows представляет собой системный объект, называемый рабочим столом. 

Рабочий стол — это графическая среда, на которой
отображаются объекты и элементы управления Windows. На рабочем столе
можно видеть значки (пиктограммы),
ярлыки и панель задач (основной элемент управления).
При запуске Windows на рабочем столе присутствуют,  как минимум , три
значка:
Мой компьютер, Сетевое окружение, Корзина.
На рабочем столе могут быть расположены и другие значки. Его можно
использовать и как временное хранилище своих файлов, но по окончании
работы в учебном классе они должны быть либо удалены, либо перемещены в
собственные папки.

Значки являются графическим изображением объектов и позволяют управлять ими.
Значок — это графическое представление объекта в свернутом виде,
соответствующее папке, программе, документу, сетевому устройству или
компьютеру.
Значки, как правило имеют метки — надписи, которые располагаются под
ними. Щелчок левой кнопкой мыши по значку позволяет выделить
его, а двойной щелчок – открыть (запустить) соответствующее этому значку
приложение. 

Ярлык является указателем на объект. Ярлык – это специальный
файл, в котором содержится ссылка на представленный им объект
(информация о месте расположения объекта на жестком диске). Двойной
щелчок мыши по ярлыку позволяет запустить (открыть) представляемый им
объект. При его удалении сам объект не стирается, в отличие от удаления
значка. Достоинство ярлыков в том, что они обеспечивают быстрый доступ к
объекту из любой папки, не расходуя на это памяти.
Отличить ярлык от значка можно по маленькой
стрелке в левом нижнем углу пиктограммы.

Панель задач является инструментом для переключения между
открытыми папками или приложениями.
В левой части панели задач расположена кнопка «Пуск»; в правой — панель
индикации. На самой панели изображаются все открытые в данный момент
объекты. 

Кнопка «Пуск» открывает Главное меню. С его помощью
можно запустить все программы, зарегистрированные в операционной
системе, получить доступ ко всем средствам настройки
операционной системы, к поисковой и справочной системам и другим
функциям.

Центральным понятием Windows является окно. Окно – структурный
и управляющий элемент пользовательского интерфейса, представляющий
собой ограниченную рамкой прямоугольную область экрана, в которой может
отображаться приложение, документ или сообщение. 

Выше на рисунке показан рабочий стол Windows
с открытым Главным меню, окном текстового
процессора Word, значками и ярлыками и
некоторыми свернутыми на панели задач
документами.

Из других понятий Windows следует отметить
понятия каталога и папки.

Каталог – поименованная группа файлов, объединенных по какому-либо признаку.

Папка – понятие, которое используется в Windows вместо понятия
каталог в более ранних операционных системах. Понятие папка имеет
расширенное толкование, так как наряду с обычными каталогами папки
представляют и такие объекты, как Мой компьютер, Проводник, Принтер,
Модем и др.

Структура окна папки

Типовое окно папки показано на рисунке.

Окно содержит следующие обязательные элементы.

• Строка заголовка — в ней написано название папки. Служит для перетаскивания окна.
• Системный значок. Открывает служебное меню, с помощью которого можно управлять размером и расположением окна.
• Кнопки управления размером:
  разворачивающая (восстанавливающая), сворачивающая, закрывающая.
• Строка меню (ниспадающее меню). Гарантированно предоставляет доступ ко всем командам данного окна.
• Панель инструментов. Содержит командные кнопки для
  выполнения наиболее часто встречающихся операций. Часто пользователь
  может сам настраивать эту панель размещая на ней необходимые кнопки.
• Адресная строка. В ней указан путь доступа к текущей папке. Позволяет быстро перейти к другим разделам файловой структуры.
• Рабочая область. Отображает значки объектов, хранящихся в папке, причем способом отображения можно управлять.
• Полосы прокрутки – позволяют прокручивать содержимое окна в горизонтальном или вертикальном направлении если информация не умещается в окне.
• Строка состояния. Выводит дополнительную информацию об объектах в окне.

Файловая система персонального
компьютера

Файловая система обеспечивает хранение и доступ к файлам на диске.
Принцип организации файловой системы — табличный. Поверхность диска
рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются
номера поверхности, цилиндра и сектора. Под
цилиндром подразумевается совокупность всех дорожек,
принадлежащих разным поверхностям и равноудаленных от оси вращения.
Данные о том, в каком месте записан тот или иной файл, хранятся в
системной области диска в специальной таблице размещения файлов
(FAT-таблица). FAT-таблица хранится в двух экземплярах, идентичность которых контролируется операционной системой.

ОС MS-DOS, OS/2, Windows-95/NT реализуют 16-разрядные поля в
FAT-таблицах. Такая система
называлась FAT-16. Такая система позволяет разместить не более 65536
записей о местоположении единиц хранения данных. Наименьшей единицей
хранения данных является
сектор. Размер сектора равен 512 байтам. Группы секторов условно объединяют в
кластеры, которые являются наименьшей единицей адресации к
данным. Размер кластера зависит от емкости диска:
в Fat-16 для дисков от 1 до 2 Гбайт 1 кластер занимает 64 сектора или 32
Кбайта. Это нерационально, поскольку даже маленький файл занимает 1
кластер. У больших файлов, занимающих несколько кластеров, в конце
образуется незаполненный кластер. Поэтому потери емкости для дисков в
системе FAT-16 могут быть очень велики. С дисками свыше 2,1 Гбайт FAT-16
вообще не работает.

В Windows 98 и старших версиях реализована более совершенная файловая
система — FAT-32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов.
Она обеспечивает маленький размер кластера для дисков большой емкости.
Например, для диска до 8 Гбайт 1 кластер занимает 8 секторов (4 Кбайта).

Файл — это именованная последовательность байтов произвольной
длины. До появления Windows-95 общепринятой схемой именования файлов
была схема 8.3 (короткое имя)
– 8 символов собственно имя файла, 3 символа – расширение его имени. 
Недостаток коротких имен — их низкая содержательность. Начиная с
Windows-95 введено понятие длинного имени (до 256 символов). Оно может
содержать любые символы, кроме девяти специальных: / : * ? » < >
|. 

Расширением имени считаются все символы после последней
точки. В современных
операционных ситемах расширение имени несет для системы важную
информацию о типе файла. Типы файлов регистрируются и связывают файл с
открывающей его программой. Например файл MyText.doc будет открыт
текстовым процессором Word, поскольку расширение .doc обычно связывается
именно с этим приложением. Обычно, если файл не связан ни с какой
открывающей программой, то на его значке обозначен флаг
— логотип Microsoft Windows, а открывающую программу пользователь может
указать сам, выбрав ее из предоставленного ОС списка.

Логически структура файлов организована по иерархическому принципу:
папки более низких уровней вкладываются в папки более высоких уровней.
Верхним уровнем вложенности является корневой каталог диска. Термины
«папка» и «каталог» равнозначны. Каждому каталогу файлов на диске
соответствует одноименная папка операционной системы. Однако, понятие
папки несколько шире. Так в Windows-95 существуют специальные папки,
осуществляющие удобный доступ к программам, но которым не соответствует
ни один каталог диска.

Атрибуты файлов — это параметры, определяющие некоторые
свойства файлов. Для получения доступа к атрибутам файла, следует
щелкнуть правой кнопкой мыши по его значку и выбрать меню Свойства.
Основных атрибутов 4: «Только для чтения», «Скрытый», «Системный»,
Архивный». Атрибут «Только для чтения» предполагает, что файл не
предназначен для внесения изменений. Атрибут «Скрытый» говорит о том,
что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых
операций. Атрибутом «Системный» помечаются наиболее важные файлы ОС (как
правило они имеют и атрибут «Скрытый»). Атрибут «Архивный» связан с
резервным копированием файлов и особого значения не имеет.

Операции с файлами и папками

Копирование и перемещение

1 способ. Разместить на рабочем столе два окна: источник и
приемник копирования. Выделить в окне-источнике необходимые значки.
Несколько значков выделяются при нажатой клавише Ctrl. Перетащить мышью
выделенные значки в окно-приемник, указав на любой из выделенных
значков. При одновременно нажатой клавише Ctrl происходит копирование,
без нее — перемещение элементов (при условии, что папки находятся на
одном диске).

2 способ. Выделить копируемые элементы. Выбрать меню
Правка/Копировать (Вырезать). При выборе «Вырезать» произойдет
перемещение. Открыть папку-приемник. Выбрать меню Правка/Вставить.

Удаление файлов и папок

Удаление файлов выполняется выбором элементов и нажатием клавиши
Delete. При этом отмеченные элементы перемещаются в специальную папку —
Корзину. При очистке корзины происходит уничтожение файлов. Существует
еще операция стирания файлов, когда специальными служебными программами
кластеры, в которых содержались стираемые файлы, заполняются случайными
данными.

Групповые операции с файлами

Если требуется выполнить операцию копирования или удаления с большим
количеством файлов одновременно, то выделять их удерживая Ctrl не очень
удобно. Можно выделить целую группу подряд идущих значков, щелкнув по
первому их них и при нажатой клавише Shift — по последнему. Однако, в
этом случае требуется определенным образом упорядочить значки. Для этого
следует открыть папку с файлами и обратиться к меню Вид/Упорядочить
значки. Существует 4 способа упорядочивания значков в папке: по имени,
по типу, по размеру, по дате. Например, необходимо скопировать все
файлы с расширением .txt. В этом случае следует упорядочить значки по
типу, после чего все файлы типа .txt будут сгруппированы вместе и
использовать клавишу Shift для их выделения. Аналогичный прием
применяется для выделения «старых» файлов (упорядочение по дате),
«маленьких» (упорядочение по размеру) и в других стандартных ситуациях.

Если в окне не показана полная информация о файлах (расширение, объем
и дата создания), следует обратиться к меню окна папки Вид/Таблица и в
окне будут выведены все характеристики файлов.

Переименование файлов и папок.

Переименование файла или папки выполняется либо через меню
Переименовать, вызываемого щелчком правой кнопки мыши на соответствующем
значке, либо щелчком по имени выделенного значка.

Замечание. Удаление или переименование невозможно, если указанный файл уже открыт каким-либо приложением.

Работа с буфером обмена

ОС Windows создает и обслуживает специальную область памяти,
называемую буфером обмена. Буфер обмена служит для обмена данными между
приложениями Windows. Описанный выше второй способ копирования
предполагает использование буфера обмена.

В меню Правка для операций с буфером обмена используются пункты
Копировать, Вырезать и Вставить. Первые два помещают в буфер обмена
объект, последний — копирует из буфера обмена. Если объект (часть
текста, рисунок и т.д.) не выделен, то первые два пункта будут не
активны. Если буфер обмена пуст, то не будет активен и третий пункт.

Операции с буфером обмена выполняются очень часто, поэтому на панель инструментов окна помещаются кнопки быстрого доступа.

Самый быстрый способ работы с буфером обмена — использование
комбинаций клавиш: Ctrl+C — копировать; Ctrl+X — вырезать; Ctrl + V —
вставить.

Контрольные вопросы

1. Что такое пользовательский интерфейс
   Windows?
2. Перечислите основные элементы пользовательского интерфейса. Каково их назначение?
3. Что представляет собой объект Windows Рабочий стол?
4. Что такое панель задач? Для чего она предназначена?
5. Что такое значок и каково его назначение?
6. Что такое ярлык? Каково его назначение? В чем его отличие от значка?
7. Какие операции с соответствующим объектом позволяют выполнять значок и ярлык? Как они выполняются?
8. Что собой представляет объект Мой компьютер? Каковы его возможности?
9. Каково назначение кнопки Пуск?
10. Как получить доступ к Главному меню Windows? Какие возможности предоставляет Главное меню?
11. Какова структура окна папки? Каково назначение элементов этого окна?
12. Каково назначение файловой системы?
13. Каков принцип организации файловой системы?
14. Что такое таблица размещения файлов (FAT)? Для чего она предназначена? Охарактеризуйте способы реализации
    FAT.
15. Что такое сектор?
16. Что представляет собой кластер? От чего зависит его размер?
    Сравните 16-разрядную и 32-разрядную FAT.
17. Что называется файлом?
18. Как записывается короткое имя файла? Каков недостаток такой записи?
19. По каким правилам записывается длинное имя файла?
20. Что такое расширение имени файла? Как оно используется ОС?
21. Опишите логическую структуру файла.
22. Какие свойства задают атрибуты файлов? Как получить к ним доступ?
23. Перечислите основные операции с файлами и папками и опишите способы их реализации.
24. Что называется буфером обмена? Для чего он используется?
25. Как получить доступ к буферу обмена? Какие команды меню предназначены для работы с буфером? Опишите их.
26. Каков самый быстрый способ работы с буфером обмена?

Рядовому пользователю компьютерных электронных устройств редко, но приходится сталкиваться с таким понятием, как «выбор файловой системы». Чаще всего это происходит при необходимости форматирования внешних накопителей (флешек, microSD), установке операционных систем, восстановлении данных на проблемных носителях, в том числе жестких дисках. Пользователям Windows предлагается выбрать тип файловой системы, FAT32 или NTFS, и способ форматирования (быстрое/глубокое). Дополнительно можно установить размер кластера. При использовании ОС Linux и macOS названия файловых систем могут отличаться.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе. 

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ API. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

На физическом уровне драйверы ФС оптимизируют запись и считывание отдельных частей файлов для ускоренной обработки запросов, фрагментации и «склеивания» хранящейся в ячейках информации. Данный алгоритм получил распространение в большинстве популярных файловых систем на концептуальном уровне в виде иерархической структуры представления метаданных (B-trees). Технология снижает количество самых длительных дисковых операций – позиционирования головок при чтении произвольных блоков. Это позволяет не только ускорить обработку запросов, но и продлить срок службы HDD. В случае с твердотельными накопителями, где принцип записи, хранения и считывания информации отличается от применяемого в жестких дисках, ситуация с выбором оптимальной файловой системы имеет свои нюансы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

Основными функциями файловой системы являются:

• размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
• определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
• создание, чтение и удаление файлов;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
• определение структуры файла;
• поиск файлов;
• организация каталогов для логической организации файлов;
• защита файлов при системном сбое;
• защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого. 

Задачи файловой системы 

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

• присвоение имен файлам;
• программный интерфейс работы с файлами для приложений;
• отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
• поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.). 

В многопользовательских системах реализуется задача защиты файлов от несанкционированного доступа, обеспечение совместной работы. При открытии файла одним из пользователей для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

Существует три основных вида операционных систем, используемых для управления любыми информационными устройствами: Windows компании Microsoft, macOS разработки Apple и операционные системы с открытым исходным кодом на базе Linux. Все они, для взаимодействия с физическими носителями, используют различные типы файловых систем, многие из которых дружат только со «своей» операционкой. В большинстве случаев они являются предустановленными, рядовые пользователи редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках.

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Более богатый выбор у линуксоидов. Но здесь настройка и использование определенного типа файловой системы требует хотя бы минимальных навыков программирования. Тем более, мало кто задумывается, можно ли использовать в определенной ОС «неродную» файловую систему. И зачем вообще это нужно.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows 

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

• зарезервированный сектор для служебных структур;
• табличная форма указателей;
• непосредственная зона записи содержимого файлов. 

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система. 

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

Стандарт NTFS разработан с целью устранения недостатков, присущих более ранним версиям ФС. Впервые он был реализован в Windows NT в 1995 году, и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Система NTFS расширила допустимый предел размера файлов до шестнадцати гигабайт, поддерживает разделы диска до 16 Эб (эксабайт, 10¹⁸ байт). Использование системы шифрования Encryption File System (метод «прозрачного шифрования») осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла. Файловая система позволяет использовать расширенные имена файлов, включая поддержку многоязычности в стандарте юникода UTF, в том числе в формате кириллицы. Встроенное приложение проверки жесткого диска или внешнего накопителя на ошибки файловой системы chkdsk повышает надежность работы харда, но отрицательно влияет на производительность.

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

• Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
• данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
• при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS 

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем: 

1. HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
2. Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

• Ext2;
• Ext3;
• Ext4;
• JFS;
• ReiserFS;
• XFS;
• Btrfs;
• ZFS.

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux. 

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии. 

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

• ZFS – «Zettabyte File System» разработана для распределенных хранилищ Sun Solaris OS;
• Apple Xsan – эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних разработках StorNext; 
• VMFS (Файловая система виртуальных машин) разработана компанией VMware для VMware ESX Server;
• GFS – Red Hat Linux именуется как «глобальная файловая система» для Linux;
• JFS1 – оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX. 

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант — использование специальной  утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free. Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.