Опишите иерархическую структуру файловой системы в ос windows

1.
Единицы хранения данных;

2.
Файловая структура;

3.
Организация файловой системы;

4.
Операции
с файловой
структурой
в ОС Windows.

1. Принцип двойной адресации. Единицы хранения данных

Существуют
два принципиально разных способа
адресации к объектам: символьная и
числовая. Символьную адресацию используют
в информационном обмене, обслуживающим
общественные отношения. Она наглядна
и удобна, в компьютере представляет
собой запись пути доступа к объекту в
иерархической структуре данных
(рассмотрена ниже).

Числовую адресацию
используют, если информационный обмен
осуществляется автоматически между
элементами технических систем.

Если информационный
обмен происходит между людьми и
техническими устройствами используют
принцип двойной адресации. Люди вводят
в системы (или получают от нее) адрес в
символьной форме, а система преобразует
его в числовую форму и передает другой
технической системе (устройству). Чтобы
реализовать принцип двойной адресации,
должно быть предусмотрено средство
пересчета адресов из одной формы в
другую.

При хранении данных
решаются две проблемы: как сохранить
данные в наиболее компактном виде и как
обеспечить к ним быстрый и удобный
доступ. Для обеспечения доступа
необходимо, чтобы данные имели
упорядоченную структуру, а при этом
образуются адресные данные. Поскольку
адресные данные тоже имеют размер и
тоже подлежат хранению, хранить данные
в виде мелких единиц, таких как байты,
неудобно. Их неудобно хранить и в более
крупных единицах (килобайтах, МБ),
поскольку неполное заполнение одной
единицы приводит к неэффективности
хранения.

В качестве единицы
хранения данных принят объект переменной
длины, называемый файлом.

Файл
– это последовательность произвольного
числа байтов, обладающая уникальным
собственным именем. Или: Файл
– это совокупность данных, имеющая
собственное имя.
В определение файла особое внимание
уделяется имени. Оно несет в себе адресные
данные, без которых данные, хранящиеся
в файле, не станут информацией из-за
отсутствия метода доступа к ним.

Обычно
в отдельном файле хранят данные,
относящиеся к одному типу (текст, рисунок,
музыка, программа, видео). В определении
файла нет ограничения на размер, файл
может иметь 0 байтов (пустой файл) или
любое число байтов. Имя файла также
хранит сведения о типе данных, заключенных
в нем (расширение txt,
doc,
jpg,
exe
и т.д.). Для автоматических средств работы
с данными это важно, так как по имени
файла они могут определить метод
извлечения информации из файла.

2. Файловая структура

Структуры
данных: Семакин, параграф 14, стр.70-78

Работа
с большими наборами данных автоматизируется
проще, когда данные упорядочены, то есть
образуют заданную структуру. Существует
три основных типа структур данных:

линейная
структура (списки данных, адрес элемента
однозначно определяется его номером);
табличная
структура (адрес элемента определяется
номером строки и номером столбца, на
пересечении которых находится ячейка,
содержащая искомый элемент);
иерархические
структуры данных (адрес каждого элемента
определяется путем доступа (маршрутом),
ведущим от вершины структуры к данному
элементу);
сетевые
структуры (ориентированные и
неориентированные графы).

Иерархическими
называют связанные структуры соподчиненных
объектов, обладающие следующими
признаками:

—
каждый объект связан отношением
соподчинения ровно с одним объектом
вышестоящего уровня;

—
не существует отношений соподчинения
объектами одного уровня.

Данные
пользователю в компьютере представляются
в виде иерархической многоуровневой
структуры, которая называется файловой
структурой.

Файловая структура
— это основная структура, используемая
компьютером для упорядочения информации
на жестком диске. Она определяет способ
организации, хранения и именования
данных на носителях
информации в компьютерах, а также в
другом электронном
оборудовании: цифровых
фотоаппаратах, мобильных
телефонах и т. п.

В
качестве вершины структуры служит имя
носителя (диска),
на котором сохраняются файлы. В компьютере
обычно имеется несколько логических
дисков: A:,
B:,
C:,
Д: и т.д.

Далее
файлы группируются в каталоги (папки,
директории), внутри которых могут быть
созданы вложенные каталоги.

Путь
доступа к файлу начинается с имени
носителя и включает все имена каталогов,
через которые проходит. Разделителем
является «».

Каталог
(англ. directory
— справочник, указатель) — объект в
файловой системе, упрощающий организацию
файлов.

Каталог
— это, с одной стороны, группа файлов,
объединенных пользователем исходя из
некоторых соображений (например, файлы,
содержащие программы игр, или файлы,
составляющие один программный пакет),
а с другой стороны — это файл,
содержащий системную информацию о
группе файлов, его составляющих. В
каталоге содержится список файлов,
входящих в него, и устанавливается
соответствие между файлами и их
характеристиками (атрибутами).

Каталог
(директорий, папка) – специальное место
на диске, в котором хранятся имена
файлов, сведения о размере файлов,
времени их последнего обновления,
атрибуты (свойства) файлов и т.д.

Каталоги в ОС
Windows бывают системные (служебные,
созданные ОС) и пользовательские
(созданные пользователем). Пример
системных каталогов: «Рабочий стол»,
«Корзина», «Сетевое окружение», «Панель
управления», каталоги логических дисков
и т. п.

Текущий
каталог –
каталог, с которым в настоящий момент
работает пользователь.

Подкаталоги
и надкаталоги
– все каталоги, кроме корневого являются
файлами специального вида.

Корневой
каталог
– это каталог, который не является
подкаталогом ни одного другого каталога,
главный
каталог на диске, в котором регистрируются
файлы и подкаталоги 1 уровня.

В Windows каждый из
дисков имеет свою корневой каталог
(А:, В:, C:, D: и т. д).

Буквы «A:» и «B:»
используются для дисководов гибких
дисков. Начиная с каталога с буквой
«C:» идут папки жёстких, логических,
сетевых и внешних дисков, приводов
оптических дисков и т. д. Обычно каталог
основного диска (который и хранит все
системные файлы, необходимые для работы
операционной системы) называется «C:».

Термин
папка
(англ. folder)
был введён для представления объектов
файловой системы в графическом
пользовательском интерфейсе путём
аналогии с офисными папками.

В
этой терминологии, папка, находящаяся
в другой папке, называется подпапка или
вложенная папка. Все вместе папки на
компьютере представляют иерархическую
структуру, представляющую собой дерево
каталогов.

Полным
именем файла считается собственное имя
файла вместе с путем доступа к нему.

Полное
имя файла
имеет следующий вид: Диск:путьимя
файла.

Имя
файла состоит из двух частей: собственно
имени и расширения. Расширение указывает
на тип файла, с помощью какой программы
он был создан.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

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.

Комьюнити теперь в Телеграм

Подпишитесь и будьте в курсе последних IT-новостей

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:

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.
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.

Источник

№ занятия: 8.
Тема: Организация файловой системы.

Занятие_8_Л6

Вопрос 1. Логическая организация файловой системы

Файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные, а также собственно хранимые в этой области данные и набор атрибутов, позволяющих ОС манипулировать этими данными.

Долговременное и надежное хранение информации. Долговременность достигается за счет использования запоминающих устройств, не зависящих от питания, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах.

Совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и простой способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая, каталоги и справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а применяться совсем другим, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Файловая система (ФС) – это часть операционной системы, включающая:

совокупность всех файлов на диске;
наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
комплекс системных программных средств, реализующих различные операции с файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файловая система позволяет программам обходиться набором достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл. При этом программистам не нужно иметь дело с деталями действительного расположения данных на диске, буферизацией данных и другими низкоуровневыми проблемами передачи данных с долговременного запоминающего устройства. Все эти функции ФС берет на себя.

Файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов на соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов.

Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом.

Самый простой тип – это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС, к числу которых относится, например, MS-DOS.

Основные функции однопользовательских однопрограммных ФС нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;
программный интерфейс для приложений;
отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

Задачи ФС усложняются в операционных однопользовательских мультипрограммных ОС, которые, хотя и предназначены для работы одного пользователя, но дают ему возможность запускать одновременно несколько процессов. Одной из первых ОС этого типа стала OS/2. К перечисленным задачам добавляется новая задача совместного доступа 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, в однопользовательских мультипрограммных ФС должны быть предусмотрены следующие средства:

блокировки файла и его частей;
предотвращения гонок;
исключения тупиков;
согласования копий и т. п.

В многопользовательских системах ФС 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.

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят:

обычные файлы;
файлы-каталоги;
специальные файлы;
именованные конвейеры;
файлы, отображаемые на память.

Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем никак не ограничивают и не контролируют содержимое и структуру обычного файла.

Содержимое обычного файла определяется приложением, которое с ним работает.

Каталоги – это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку. Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу, датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.

Специальные файлы – это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.

Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые на память файлы. Они будут рассмотрены позже.

Иерархическая структура файловой системы. Большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня, при этом частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рис. 1 а).

Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть, если файл может входить сразу в несколько каталогов.

Рис. 1. Иерархия файловых систем.

Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в Unix – сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом, или корнем (root). При такой организации пользователь освобожден от необходимости помнить имена всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Имена файлов. Все типы файлов имеют символьные имена.

В иерархически организованных файловых системах обычно используются следующие типы имен файлов:

- простое (короткое) символьное имя;
- полное (составное) символьное имя;
- относительное символьное имя;
- уникальное имя (числовой идентификатор).

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в известной файловой системе FAT MS-DOS длина имен ограничивалась схемой 8.3 (8 символов – собственно имя, 3 символа – расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС Unix, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов.

Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют давать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в том или ином файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав ОС семейства Windows, имя файла может содержать до 255 символов.

Примеры простых имен файлов и каталогов:

- quest_ul.doc;
task-entran.exe;
приложение к CD 254L на русском языке-doc;
installable filesystem manager.doc.

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема много файлов – одно простое имя. Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла.

Таким образом, полное имя является составным именем, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слэш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рис. 1 б два файла имеют простое имя Main.exe, однако их составные имена /depart/Maiп.ехе и /user/Anna/Main.exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие один файл – одно полное имя. В файловых системах имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен, здесь справедливо соответствие один файл – много полных имен. В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем. Файл может быть идентифицирован также относительным именем.

Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При применении относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходят маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог/user, то относительное имя файла /user/Anna/Main.ехе выглядит следующим образом: Anna/Main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие один файл – много полных имен, так как каждому простому имени файла соответствует, по крайней мере, одно полное имя.

Символьные имена удобны для пользователя, но не для операционной системы. Для своих внутренних целей ОС присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение один файл – одно уникальное имя. Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для использования операционной системой. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе Unix.

Монтирование. В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств. Даже типичный персональный компьютер обычно имеет один накопитель на жестком диске, один накопитель на гибких дисках и накопитель для компакт-дисков. Мощные же компьютеры, как правило, оснащены большим количеством дисковых накопителей, на которые устанавливаются пакеты дисков. Более того, даже одно физическое устройство с помощью средств операционной системы может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности, путем разбиения дискового пространства на разделы.

Возникает вопрос, каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти? Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается автономная файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве; описываются деревом каталогов, никак не связанным с деревьями каталогов на других устройствах. В таком случае для однозначной идентификации файла пользователь наряду с составным символьным именем файла должен указывать идентификатор логического устройства. Примером такого автономного существования файловых систем является операционная система MS-DOS, в которой полное имя файла включает буквенный идентификатор логического диска. Так, при обращении к файлу, расположенному на диске А, пользователь должен указать имя этого диска: A:privatletteruniletl.doc1.

Другим вариантом является такая организация хранения файлов, при которой пользователю предоставляется возможность объединять файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием.

Рассмотрим, как осуществляется эта операция на примере ОС Unix.

Среди всех имеющихся в системе логических дисковых устройств операционная система выделяет одно устройство, называемое системным. Пусть имеются две файловые системы, расположенные на разных логических дисках, причем один из дисков является системным (рис. 2).

Знак «/» обозначает корень файловой системы. Это главный каталог в системе Linux. По сути, это и есть файловая система Linux. Здесь нет дисков или чего-то подобного, как в Windows. Вместо этого, адреса всех файлов начинаются с корня, а дополнительные разделы, флешки или оптические диски подключаются в папки корневого каталога.

Только пользователь root имеет право читать и изменять файлы в этом каталоге.

Рис. 2. Файловая система до монтирования.

Файловая система, расположенная на системном диске, назначается корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некоторый существующий каталог, в данном примере – каталог man. После выполнения монтирования выбранный каталог man становится корневым каталогом второй файловой системы. Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву (рис. 3).

Рис. 3. Общая файловая система после монтирования.

После монтирования общей файловой системы для пользователя нет логической разницы между корневой и смонтированной файловыми системами, в частности, именование файлов производится так же, как если бы система с самого начала была единой.

Атрибуты файлов. Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты – это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);
владелец файла;
создатель файла;
пароль для доступа к файлу;
информация о разрешенных операциях доступа к файлу;
времена создания, последнего доступа и последнего изменения;
текущий размер файла;
максимальный размер файла;
признак «только для чтения»;
признак «скрытый файл»;
признак «системный файл»;
признак «архивный файл»;
признак «двоичный/символьный»;
признак «временный» (удалить после завершения процесса);
признак блокировки;
длина записи в файле;
указатель на ключевое поле в записи;
длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов.

В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать атрибуты, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам с помощью средств, предоставленных для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять – только некоторые.

Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это было сделано в файловой системе MS-DOS.

На рис. 4а представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R – только для чтения, А – архивный, Н – скрытый, S – системный.

Рис. 4. Структура каталогов:

а – структура записи каталога MS-DOS;

б – структура записи каталога ОС Unix.

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы.

Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС Unix. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла – так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 2.4 б).

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тотже номер индексного дескриптора.

Логическая организация файла. В общем случае данные, содержащиеся в файле, имеют некую логическую структуру. Эта структура является базой при разработке программы, предназначенной для обработки этих данных. Признаками, отделяющими один структурный элемент от другого, могут служить определенные кодовые последовательности или просто известные программе значения смещений этих структурных элементов относительно начала файла. Поддержание структуры данных может быть либо целиком возложено на приложение, либо в той или иной степени эту работу может взять на себя файловая система.

В первом случае, когда все действия, связанные со структуризацией и интерпретацией содержимого файла, целиком относятся к ведению приложения, файл представляется ФС неструктурированной последовательностью данных. Приложение формулирует запросы к файловой системе на ввод-вывод, используя общие для всех приложений системные средства, например, указывая смещение от начала файла и количество байтов, которые необходимо считать или записать. Поступивший к приложению поток байтов интерпретируется в соответствии с заложенной в программе логикой. Например, компилятор генерирует, а редактор связей воспринимает вполне определенный формат объектного модуля программы. При этом формат файла, в котором хранится объектный модуль, известен только этим программам. Подчеркнем, что интерпретация данных никак не связана с действительным способом их хранения в файловой системе.

Модель файла, в соответствии с которой содержимое файла представляется неструктурированной последовательностью (потоком) байтов, стала популярной вместе с ОС Unix, а теперь она широко используется и в большинстве современных ОС, в том числе во всех версиях ОС Windows и NetWare. Неструктурированная модель файла позволяет легко организовать разделение файла между несколькими приложениями: разные приложения могут по-своему структурировать и интерпретировать данные, содержащиеся в файле. В этом случае поддержание структуры файла поручается файловой системе. Файловая система видит файл как упорядоченную последовательность логических записей. Приложение может обращаться к ФС с запросами на ввод-вывод на уровне записей, например, «считать запись 25 из файла FILE.DOC».

Файловая система должна обладать информацией о структуре файла, достаточной для того, чтобы выделить любую запись. ФС предоставляет приложению доступ к записи, а вся дальнейшая обработка данных, содержащихся в этой записи, выполняется приложением. Развитием этого подхода стали системы управления базами данных (СУБД), которые поддерживают не только сложную структуру данных, но и взаимосвязи между ними.

Логическая запись является наименьшим элементом данных, которым может оперировать программист при организации обмена с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система должна обеспечивать программисту доступ к отдельной логической записи. Файловая система может использовать два способа доступа к логическим записям: читать или записывать логические записи последовательно (последовательный доступ) или позиционировать файл на запись с указанным номером (прямой доступ).

Очевидно, что ОС не может поддерживать все возможные способы структурирования данных в файле, поэтому в тех ОС, в которых вообще поддерживается логическая структуризация файлов, поддержка реализована для небольшого числа широко распространенных схем логической организации файла.

К числу таких способов структуризации относится представление данных в виде записей фиксированной длины (рис.5а). В этом случае доступ к n-й записи осуществляется либо путем последовательного чтения (n-1) предшествующих записей, либо прямо по адресу, вычисленному по ее порядковому номеру.

Например, если L – длина записи, то начальный адрес n-й записи равен

Lхn. Заметим, что при такой логической организации размер записи фиксирован

в пределах файла, а записи в различных файлах, принадлежащих одной и той же файловой системе, могут иметь различный размер.

Другой способ структуризации состоит в представлении данных в виде последовательности записей переменного размера.

Если расположить значения длин записей так, как это показано на рис. 5б, то для поиска нужной записи система должна последовательно считать все предшествующие записи. Вычислить адрес нужной записи по ее номеру при такой логической организации файла невозможно, а следовательно, не может быть применен более эффективный метод прямого доступа. Файлы, доступ к записям которых осуществляется последовательно, по номерам позиций, называются неиндексированными, или последовательными, файлами.

Другим типом файлов являются индексированные файлы; они допускают более быстрый прямой доступ к отдельной логической записи.

В индексированном файле записи имеют одно или более ключевых (индексных) полей и могут адресоваться путем указания значений этих полей. Для быстрого поиска данных в индексированном файле предусматривается специальная индексная таблица, в которой значениям ключевых полей ставится в соответствие адрес внешней памяти. Этот адрес может указывать либо непосредственно на искомую запись, либо на некоторую область внешней памяти, занимаемую несколькими записями, в число которых входит искомая запись.

Рис. 5. Способы логической организации файлов.

В последнем случае говорят, что файл имеет индексно-последовательную организацию, так как поиск включает два этапа: прямой доступ по индексу к указанной облаете диска, а затем последовательный просмотр записей в указанной области. Ведение индексных таблиц берет на себя файловая система. Понятно, что записи в индексированных файлах могут иметь произвольную длину.

Все сказанное в большей степени относится к обычным файлам, которые могут быть как структурированными, так и неструктурированными. Что же касается других типов файлов, таких как каталоги или файлы типа «символьная связь», то они обладают вполне определенной специфической для своего типа структурой, которая известна и «понятна» файловой системе.

Вопрос 2. Физическая организация файловой системы.

Представление пользователя о файловой системе, как об иерархически организованном множестве информационных объектов, имеет мало общего с порядком хранения файлов на диске. Файл, имеющий образ цельного, непрерывающегося набора байтов, на самом деле очень часто разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла, например, его отдельная логическая запись может быть расположена в несмежных секторах диска. Логически объединенные файлы из одного каталога совсем не обязаны соседствовать на диске.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической организацией файловой системы. Очевидно, что разные файловые системы имеют разную физическую организацию.

Диски, разделы, секторы, кластеры. Основным типом устройства, которое используется в современных вычислительных системах для хранения файлов, является дисковый накопитель. Дисковые накопители предназначены для считывания и записи данных на жесткие и гибкие магнитные диски.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Таким образом, диск в общем случае состоит из пакета пластин (рис. 6).

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца − дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку.

Рис. 6.Схема устройства жесткого диска.

Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемещаются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. В некоторых дисках вдоль каждой поверхности перемещается одна головка, а в других – имеется по головке на каждую дорожку.

В первом случае для поиска информации головка должна перемещаться по радиусу диска. Обычно все головки закреплены на едином перемещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фиксируется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останавливаются над дорожками с такими же номерами. В тех же случаях, когда на каждой дорожке имеется отдельная головка, никакого перемещения головок с одной дорожки на другую не требуется, за счет этого экономится время, затрачиваемое на поиск данных.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), или блоками (blocks), так что все дорожки имеют равное число секторов, в которые максимально можно записать одно и то же число байтов. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, выражающийся степенью двойки. Чаще всего размер сектора составляет 512 байт. Учитывая, что дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плотность записи становится тем выше, чем ближе дорожка к центру.

Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора:

номер цилиндра;
номер поверхности;
номер сектора на дорожке.

Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Это означает, что даже в тех случаях, когда программе требуется прочитать с диска только один байт, в действительности будет считан целый сектор и передан системе для выборки нужных данных.

Так как прикладная программа оперирует не секторами, а байтами, к тому же заданный объем требуемых данных не обязательно оказывается кратным размеру сектора, то типичный запрос включает чтение нескольких секторов, содержащих нужную информацию, и одного или двух секторов, содержащих наряду с требуемыми избыточные данные (рис. 7).

Операционная система при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). При создании файла ОС запрашивает для него область на диске, размер которой кратен принятому в этой операционной системе размеру кластера.

Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

Кластер – наименьшая единица дискового пространства, которой оперирует файловая система при распределении памяти на диске.

Операционная система при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). При создании файла ОС запрашивает для него область на диске, размер которой кратен принятому в этой операционной системе размеру кластера.

Рис. 7. Считывание избыточных данных при обмене с диском.

Иногда кластер называют блоком, что может привести к терминологической путанице. Вообще, терминология, используемая при описании форматов дисков и файловых систем, зависит от аппаратной платформы (RISC, Wintel и т. п.) и операционной системы. Это нужно учитывать и трактовать термины в зависимости от контекста.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого, форматирования диска, предшествующей использованию диска. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера, и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе: информация о доступном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под файлы и каталоги, о поврежденных областях. Кроме того, на диск записывается загрузчик операционной системы – небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.

Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел – это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство.

В представлении прикладного программиста логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск.

Именно с логическими устройствами работает пользователь, обращаясь к ним по символьным именам, например А, В, С, SYS и т. п. Операционные системы разного типа используют единое для всех них представление о разделах, но создают на его основе логические устройства, специфические для каждого типа ОС.

На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система.

В частном случае, когда все дисковое пространство охватывается одним разделом, логическое устройство представляет физическое устройство в целом. Если диск разбит на несколько разделов, то для каждого из этих разделов может быть создано отдельное логическое устройство. Логическое устройство может быть создано и на базе нескольких разделов, причем эти разделы не обязательно должны принадлежать одному физическому устройству. Объединение нескольких разделов в единое логическое устройство может выполняться разными способами и преследовать разные цели, основные из которых: увеличение общего объема логического раздела, повышение производительности и отказоустойчивости.

Примерами организации совместной работы нескольких дисковых разделов являются так называемые RAID-массивы, подробнее о которых рассказано далее.

На разных логических устройствах одного и того же физического диска могут располагаться файловые системы как одного и того же, так и разных типов. На рис. 8 показан пример диска, разбитого на три раздела, в которых установлено две файловых системы NTFS (разделы С и Е) и одна файловая система FAT (раздел D).

Операционная система может поддерживать разные статусы разделов, особым образом отмечая разделы, которые могут быть использованы для загрузки модулей операционной системы, и разделы, в которых можно устанавливать только приложения и хранить файлы данных. Один из разделов диска помечается как загружаемый, или активный. Именно из этого раздела считывается загрузчик операционной системы.

Рис. 8. Разбиение диска на разделы.

Физическая организация и адресация файла. Важным компонентом физической организации файловой системы является физическая организация

файла, то есть способ размещения файла на диске. Основными критериями эффективности физической организации файлов являются:

скорость доступа к данным;
объем адресной информации файла;
степень фрагментированности дискового пространства;
максимально возможный размер файла.

Непрерывное размещение – простейший вариант физической организации (рис. 9а), при котором файлу предоставляется последовательность кластеров диска, образующих непрерывный участок дисковой памяти.

Основным достоинством этого метода является высокая скорость доступа, так как затраты на поиск и считывание кластеров файла минимальны. Также минимален объем адресной информации – достаточно хранить только номер первого кластера и объем файла. Данная физическая организация максимально возможный размер файла не ограничивает.

Однако этот вариант имеет существенные недостатки, которые затрудняют его применимость на практике, несмотря на всю его логическую простоту. При более пристальном рассмотрении оказывается, что реализовать эту схему не так уж просто. Действительно, какого размера должна быть непрерывная область, выделяемая файлу, если файл при каждой модификации может увеличить свой размер?

Еще более серьезной проблемой является фрагментация. Спустя некоторое время после создания файловой системы, в результате выполнения многочисленных операций создания и удаления файлов пространство диска неминуемо превращается в «лоскутное одеяло», включающее большое число свободных областей небольшого размера.

Рис. 9 Физическая организация файла: непрерывное размещение (а); связанный список кластеров (б); связанный список индексов (в); перечень номеров кластеров (г).

Зачастую при фрагментации суммарный объем свободной памяти может быть очень большим, а выбрать место для размещения файла целиком – невозможно. Поэтому на практике используются методы, в которых файл размещается в нескольких в общем случае несмежных областях диска.

Следующий способ физической организации файла – размещение в виде связанного списка кластеров дисковой памяти (рис. 9б). При таком способе в начале каждого кластера содержится указатель на следующий кластер. В этом случае адресная информация минимальна: расположение файла может быть задано одним числом – номером первого кластера. В отличие от предыдущего способа, каждый кластер может быть присоединен к цепочке кластеров какого-либо файла, следовательно, фрагментация на уровне кластеров отсутствует.

Файл может изменять свой размер во время своего существования, наращивая число кластеров. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла – чтобы прочитать пятый по порядку кластер файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых кластера, прослеживая цепочку номеров кластеров.

Популярным способом, применяемым, например, в файловой системе FAT, является размещение в виде связанного списка индексов (рис. 9в). Этот способ является некоторой модификацией предыдущего. Файлу также выделяется память в виде связанного списка кластеров. Номер первого кластера запоминается в записи каталога, где хранятся характеристики этого файла. Остальная адресная информация отделена от кластеров файла. С каждым кластером диска связывается некоторый элемент – индекс. Когда память свободна, все индексы имеют нулевое значение. Если некоторый кластер N назначен некоторому файлу, то индекс этого кластера становится равным либо номеру М следующего кластера данного файла, либо принимает специальное значение, являющееся признаком того, что этот кластер является для файла последним. Индекс же предыдущего кластера файла принимает значение N, указывая на вновь назначенный кластер.

При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа: минимальность адресной информации, отсутствие фрагментации, отсутствие проблем при изменении размера. Кроме того, данный способ обладает дополнительными преимуществами. Во-первых, для доступа к произвольному кластеру файла не требуется последовательно считывать его кластеры, достаточно прочитать только секторы диска, содержащие таблицу индексов, отсчитать нужное количество кластеров файла по цепочке и определить номер нужного кластера. Во-вторых, данные файла заполняют кластер целиком, а значит, имеют объем, равный степени двойки.

Еще один способ задания физического расположения файла заключается в простом перечислении номеров кластеров, занимаемых этим файлом (рис. 9 г). Этот набор номеров и служит адресом файла. Недостаток данного способа очевиден: длина адреса зависит от размера файла и для большого файла может составить значительную величину. Достоинством же является высокая скорость доступа к произвольному кластеру файла, так как здесь применяется прямая адресация, которая исключает просмотр цепочки указателей при поиске адреса произвольного кластера файла. Фрагментация на уровне кластеров в этом способе также отсутствует.

Последний подход с некоторыми модификациями используется в традиционных файловых системах S5 и ufs ОС Unix. В файловой системе ufs для сокращения объема адресной информации используется комбинированная схема адресации кластеров, позволяющая дополнять прямой способ адресации косвенным. Для хранения адреса файла выделено 15 полей, каждое из которых состоит из 4 байт (рис. 10).

Рис. 10. Схема адресации файловой системы ufs.

Если размер файла меньше или равен 12 кластерам, то номера этих кластеров непосредственно перечисляются в первых двенадцати полях адреса. Если кластер имеет размер 8 Кбайт (максимальный размер кластера, поддерживаемого в ufs), то таким образом можно адресовать файл размером до 8192 х 12 = 98304 байт.

Если размер файла превышает 12 кластеров, то следующее 13-е поле содержит не номер следующего кластера, а номер кластера, в котором могут быть расположены номера следующих кластеров файла.

Таким образом, 13-й элемент адреса используется для косвенной адресаций. При размере в 8 Кбайт кластер, на который указывает 13-й элемент, может содержать 2048 номеров следующих кластеров данных файла, и размер файла может возрасти до 8192 х (12 + 2048) = 16 875 520 байт.

Если размер файла превышает 12 + 2048 = 2060 кластеров, то используется 14-е поле. В нем находится номер кластера, содержащего 2048 номеров кластеров, каждый из которых хранит 2048 номеров кластеров данных файла. Здесь применяется уже двойная косвенная адресация.

С ее помощью можно адресовать кластеры в файлах, содержащих до 8192 х (12 + 2048 + 20482) − 3,43766 х 1010 байт.

И наконец, если файл включает более 12 + 2048 + 20482 – 4 196 364 кластеров, то используется последнее 15-е поле для тройной косвенной адресации, что позволяет задать адрес файла, имеющего следующий максимальный размер:

8192 х (12 + 2048 + 20482 + 20483) − 7,0403 х 1013 байт.

Та к им обр а зом , файловая система ufs при размере кластера в 8 Кбайт поддерживает файлы, состоящие максимум из 70 триллионов байтов данных, хранящихся в 8 миллиардах кластеров. Как видно на рис. 2.10, для задания адресной информации о максимально большом файле требуется 15 элементов по 4 байта (60 байт) в центральной части адреса плюс 1 + (1 + 2048) + (1 + 2048

+ + 20482) – 4 198 403 кластера в косвенной части адреса. Несмотря на огромную величину, это число составляет всего около 0,05 % от объема адресуемых данных.

Файловая система ufs поддерживает дисковые кластеры и меньших размеров, при этом максимальный размер файла будет другим. Используемая в более ранних версиях Unix, файловая система S5 имеет аналогичную схему адресации, но она рассчитана на файлы меньших размеров, поэтому в ней применяется 13 адресных элементов вместо 15.

Метод перечисления адресов кластеров файла характерен и для файловой системы NTFS, используемой в ОС семейства Windows NT. Здесь он дополнен достаточно естественным приемом, сокращающим объем адресной информации: адресуются не кластеры файла, а непрерывные области, состоящие из смежных кластеров диска.

Каждая такая область, называемая отрезком (run), или экстентом (extent), описывается с помощью двух чисел: начального номера кластера и количества кластеров в отрезке. Так как для сокращения времени операции обмена ОС старается разместить файл в последовательных кластерах диска, то в большинстве случаев количество последовательных областей файла будет меньше количества кластеров файла.

Для того чтобы корректно принимать решение о выделении файлу набора кластеров, файловая система должна отслеживать информацию о состоянии всех кластеров диска: свободен/занят. Эта информация может храниться как отдельно от адресной информации файлов, так и вместе с ней.

Источник

§ 2.4. Файлы и файловые структуры

Информатика. 7 класса. Босова Л.Л. Оглавление

Логические имена устройств внешней памяти компьютера

К каждому компьютеру может быть подключено несколько устройств внешней памяти. Основным устройством внешней памяти ПК является жёсткий диск. Если жёсткий диск имеет достаточно большую ёмкость, то его можно разделить на несколько логических разделов.

Наличие нескольких логических разделов на одном жёстком диске обеспечивает пользователю следующие преимущества:

можно хранить операционную систему в одном логическом разделе, а данные — в другом, что позволит переустанавливать операционную систему, не затрагивая данные;
на одном жёстком диске в различные логические разделы можно установить разные операционные системы;
обслуживание одного логического раздела не затрагивает другие разделы.

Каждое подключаемое к компьютеру устройство внешней памяти, а также каждый логический раздел жёсткого диска имеет логическое имя.

В операционной системе Windows приняты логические имена устройств внешней памяти, состоящие из одной латинской буквы и знака двоеточия:

для дисководов гибких дисков (дискет) — А: и В:;
для жёстких дисков и их логических разделов — С:, D:, Е: и т. д.;
для оптических дисководов — имена, следующие по алфавиту после имени последнего имеющегося на компьютере жёсткого диска или раздела жёсткого диска (например, F:);
для подключаемой к компьютеру флеш-памяти — имя, следующее за последним именем оптического дисковода (например, G:).

В операционной системе Linux приняты другие правила именования дисков и их разделов. Например:

логические разделы, принадлежащие первому жёсткому диску, получают имена hdal, hda2 и т. д.;
логические разделы, принадлежащие второму жёсткому диску, получают имена hdbl, hdb2 и т. д.

Файл

Все программы и данные хранятся во внешней памяти компьютера в виде файлов.

Файл — это поименованная область внешней памяти.

Файловая система — это часть ОС, определяющая способ организации, хранения и именования файлов на носителях информации.

Файл характеризуется набором параметров (имя, размер, дата создания, дата последней модификации) и атрибутами, используемыми операционной системой для его обработки (архивный, системный, скрытый, только для чтения). Размер файла выражается в байтах.

Файлы, содержащие данные — графические, текстовые (рисунки, тексты), называют документами, а файлы, содержащие прикладные программы, — файлами-приложениями. Файлы-документы создаются и обрабатываются с помощью файлов-приложений.

Имя файла, как правило, состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени файла и расширения. Собственно имя файлу даёт пользователь. Делать это рекомендуется осмысленно, отражая в имени содержание файла. Расширение имени обычно задаётся программой автоматически при создании файла. Расширения не обязательны, но они широко используются. Расширение позволяет пользователю, не открывая файла, определить его тип — какого вида информация (программа, текст, рисунок и т. д.) в нём содержится. Расширение позволяет операционной системе автоматически открывать файл.

В современных операционных системах имя файла может включать до 255 символов, причём в нём можно использовать буквы национальных алфавитов и пробелы. Расширение имени файла записывается после точки и обычно содержит 3-4 символа.

В ОС Windows в имени файла запрещено использование следующих символов: , /,:, *, ?, «, <, >, |. В Linux эти символы, кроме /, допустимы, хотя использовать их следует с осторожностью, так как некоторые из них могут иметь специальный смысл, а также из соображений совместимости с другими ОС.

Операционная система Linux, в отличие от Windows, различает строчные и прописные буквы в имени файла: например, FILE.txt, file.txt и FiLe.txt — это в Linux три разных файла.

В таблице приведены наиболее распространённые типы файлов и их расширения:

В ОС Linux выделяют следующие типы файлов:

обычные файлы — файлы с программами и данными;
каталоги — файлы, содержащие информацию о каталогах;
ссылки — файлы, содержащие ссылки на другие файлы;
специальные файлы устройств — файлы, используемые для представления физических устройств компьютера (жёстких и оптических дисководов, принтера, звуковых колонок и т. д.).

Каталоги

На каждом компьютерном носителе информации (жёстком, оптическом диске или флеш-памяти) может храниться большое количество файлов. Для удобства поиска информации файлы по определённым признакам объединяют в группы, называемые каталогами или папками.

Каталог также получает собственное имя. Он сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Каждый каталог может содержать множество файлов и вложенных каталогов.

Каталог — это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (вложенных каталогов).

Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом.

В ОС Windows любой информационный носитель имеет корневой каталог, который создаётся операционной системой без участия пользователя. Обозначаются корневые каталоги добавлением к логическому имени соответствующего устройства внешней памяти знака «» (обратный слэш): А:, В:, С:, D:, Е: и т. д.

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

Файловая структура диска

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

Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов. В этом случае оглавление диска представляет собой линейную последовательность имён файлов (рис. 2.8). Его можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит названия входящих в неё рассказов и номера страниц.

Иерархические файловые структуры используются для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов. Иерархия — это расположение частей (элементов) целого в порядке от высшего к низшим. Начальный (корневой) каталог содержит файлы и вложенные каталоги первого уровня. Каждый из каталогов первого уровня может содержать файлы и вложенные каталоги второго уровня и т. д. (рис. 2.9). В этом случае оглавление диска можно сравнить с оглавлением нашего учебника: в нём выделены главы, состоящие из параграфов, которые, в свою очередь, разбиты на отдельные пункты и т. д.

Пользователь, объединяя по собственному усмотрению файлы в каталоги, получает возможность создать удобную для себя систему хранения информации. Например, можно создать отдельные каталоги для хранения текстовых документов, цифровых фотографий, мелодий ит. д.; в каталоге для фотографий объединить фотографии по годам, событиям, принадлежности и т. д. Знание того, какому каталогу принадлежит файл, значительно ускоряет его поиск.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом. В Windows каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев; в Linux каталоги объединяются в одно дерево, общее для всех дисков (рис. 2.10). Древовидные иерархические структуры можно изображать вертикально и горизонтально.

Полное имя файла

Чтобы обратиться к нужному файлу, хранящемуся на некотором диске, можно указать путь к файлу — имена всех каталогов от корневого до того, в котором непосредственно находится файл.

В операционной системе Windows путь к файлу начинается с логического имени устройства внешней памяти; после имени каждого подкаталога ставится обратный слэш. В операционной системе Linux путь к файлу начинается с имени единого корневого каталога; после имени каждого подкаталога ставится прямой слэш.

Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла. Не может быть двух файлов, имеющих одинаковые полные имена.

Пример полного имени файла в ОС Windows:

Е: изображенияфотоКатунь. j peg

Пример полного имени файла в ОС Linux:

/home/methody/text

Задача 1. Пользователь работал с каталогом С:ФизикаЗадачиКинематика. Сначала он поднялся на один уровень вверх, затем ещё раз поднялся на один уровень вверх и после этого спустился в каталог Экзамен, в котором находится файл Информатика.dос. Каков путь к этому файлу?

Решение. Пользователь работал с каталогом С:ФизикаЗадачиКинематика. Поднявшись на один уровень вверх, пользователь оказался в каталоге С:ФизикаЗадачи. Поднявшись ещё на один уровень вверх, пользователь оказался в каталоге СДФизика. После этого пользователь спустился в каталог Экзамен, где находится файл. Полный путь к файлу имеет вид: С:ФизикаЭкзамен.

Задача 2. Учитель работал в каталоге D:Уроки7 классПрактические работы. Затем перешёл в дереве каталогов на уровень выше, спустился в подкаталог Презентации и удалил из него файл Введение, ppt. Каково полное имя файла, который удалил учитель?

Решение. Учитель работал с каталогом D:Уроки7 классПрактические работы. Поднявшись на один уровень вверх, он оказался в каталоге D:Уроки8 класс. После этого учитель спустился в каталог Презентации, путь к файлам которого имеет вид: D:Уроки 7 классПрезентации. В этом каталоге он удалил файл Введение.ppt, полное имя которого D:Уроки8 класс Презентации Введение.ррt.

Работа с файлами

Создаются файлы с помощью систем программирования и прикладного программного обеспечения.

В процессе работы на компьютере над файлами наиболее часто проводятся следующие операции:

копирование (создаётся копия файла в другом каталоге или на другом носителе);
перемещение (производится перенос файла в другой каталог или на другой носитель, исходный файл уничтожается);
переименование (производится переименование собственно имени файла);
удаление (в исходном каталоге объект уничтожается).

При поиске файла, имя которого известно неточно, удобно использовать маску имени файла. Маска представляет собой последовательность букв, цифр и прочих допустимых в именах файлов символов, среди которых также могут встречаться следующие символы: «?» (вопросительный знак) — означает ровно один произвольный символ; «*» (звездочка) — означает любую (в том числе и пустую) последовательность символов произвольной длины.

Например, по маске n*.txt будут найдены все файлы с расширением txt, имена которых начинаются с буквы «n», в том числе и файл n.txt. По маске п?.* будут найдены файлы с произвольными расширениями и двухбуквенными именами, начинающимися с буквы «n».

Вопросы

1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Дополняет ли презентация информацию, содержащуюся в тексте параграфа?

2. Что такое файл?

3. Каковы основные правила именования файлов в операционной системе, установленной на компьютерах в вашем классе?

4. Назовите имена известных вам программ, открывающих файлы со следующими расширениями: txt, doc, bmp, rtf, arj.

5. Назовите логические имена устройств внешней памяти на компьютере, к которому вы имеете доступ.

6. Что такое каталог? Какой каталог называют корневым?

7. Как могут быть организованы файлы во внешней памяти?

8. Как называется графическое изображение иерархической файловой структуры?

9. Что такое путь к файлу на диске? Что такое полное имя файла?

10. Перечислите основные операции, совершаемые с файлами.

11. Сравните в операционных системах Windows и Linux: 1) правила именования файлов; 2) правила построения полных имён файлов.

12. Пользователь, перемещаясь из одного каталога в другой, последовательно посетил каталоги LESSONS, CLASS, SCHOOL, D: , MYDOC, LETTERS. При каждом перемещении пользователь либо спускался в каталог на уровень ниже, либо поднимался на уровень выше. Каково полное имя каталога, из которого начал перемещение пользователь? 1) D:MYDOCLETTERS 2) D:SCHOOLCLASSLESSONS 3) D:LESSONSCLASSSCHOOL 4) D:LESSONS

13. В некотором каталоге хранился файл Задача5. После того как в этом каталоге создали подкаталог и переместили в созданный подкаталог файл Задача5, полное имя файла стало Е:Класс8ФизикаЗадачникЗадача5. Каково было полное имя этого файла до перемещения?

14. Дано дерево каталогов. Назовите полное имя файла Doc3.

15. Даны полные имена файлов, хранящихся на диске D:.
D: COUNTRY USA INFO culture.txt D: COUNTRY USA Washington.txt D: COUNTRY RUSSIA Moscow.txt D: COUNTRY RUSSIA INFO Moscow.txt D: COUNTRY RUSSIA culture.txt Изобразите соответствующую файловую структуру.

16. Определите, какое из указанных ниже имён файлов удовлетворяет маске: ?ba*r.?xt 1) bar.txt 2) obar.txt 3) obar.xt 4) barr.txt

17. Приведите известные вам примеры иерархий из других предметных областей (биология, география, математика, история и т. д.).

Самое главное

Основным устройством внешней памяти ПК является жёсткий диск. Каждое подключаемое к компьютеру устройство внешней памяти, а также каждый логический раздел жёсткого диска имеют логические имена.

Файл — это поименованная область внешней памяти. Имя файла, как правило, состоит из двух частей, разделённых точкой: собственно имени файла и расширения.

Каталог — это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (вложенных каталогов). Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом.

Файловая структура диска — это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними. Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Путь к файлу — имена всех каталогов от корневого до того, в котором непосредственно находится файл. Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла. Полное имя файла уникально.

Оглавление

§ 2.3. Программное обеспечение компьютера

§ 2.4. Файлы и файловые структуры

§ 2.5. Пользовательский интерфейс

Источник

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рис. 19).

Рис. 19. Иерархия файловых систем:

а – одноуровневая организация; б – дерево; в – сеть

Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 19, б), и сеть – если файл может входить сразу в несколько каталогов (рис. 19, в). Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX – сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом, или корнем (root).

При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рис. 19, а).

Имена файлов

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен файлов: простые, составные и относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3 (8 символов – собственно имя, 3 символа – расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

Примеры простых имен файлов и каталогов:

quest_ul.doc

task-entran.exe

приложение к CD 254L на русском языке.doc

installable filesystem manager.doc

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема “много файлов – одно простое имя”. Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имяпредставляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рис. 19, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.exe и /user/anna/main exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие “один файл – одно полное имя”. В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен, здесь справедливо соответствие “один файл – много полных имен”. В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие “текущий каталог”. Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие “один файл – много полных имен”, так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение “один файл – одно уникальное имя”. Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Монтирование

В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств. Даже типичный персональный компьютер обычно имеет один накопитель на жестком диске, один накопитель на гибких дисках и накопитель для компакт-дисков. Мощные же компьютеры, как правило, оснащены большим количеством дисковых накопителей, на которые устанавливаются пакеты дисков. Более того, даже одно физическое устройство с помощью средств операционной системы может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности путем разбиения дискового пространства на разделы. Возникает вопрос, каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти?

Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается автономная файловая система, т. е. файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются деревом каталогов, никак не связанным с деревьями каталогов на других устройствах. В таком случае для однозначной идентификации файла пользователь наряду с составным символьным именем файла должен указывать идентификатор логического устройства. Примером такого автономного существования файловых систем является операционная система MS-DOS, в которой полное имя файла включает буквенный идентификатор логического диска. Так, при обращении к файлу, расположенному на диске А, пользователь должен указать имя этого диска: A:privatletterunilet1.doc.

Среди всех имеющихся в системе логических дисковых устройств операционная система выделяет одно устройство, называемое системным. Пусть имеются две файловые системы, расположенные на разных логических дисках (рис. 20), причем один из дисков является системным.

Файловая система, расположенная на системном диске, назначается корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некоторый существующий каталог, в данном примере – каталог man. После выполнения монтирования выбранный каталог man становится корневым каталогом второй файловой системы. Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву (рис. 21).

Рис. 20. Две файловые системы до монтирования

Рис. 21. Общая файловая система после монтирования

После монтирования общей файловой системы для пользователя нет логической разницы между корневой и смонтированной файловыми системами, в частности, именование файлов производится так же, как если бы она с самого начала была единой.

Атрибуты файлов

Понятие “файл” включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты файла– это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

 тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

 владелец файла;

 создатель файла;

 пароль для доступа к файлу;

 информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

 времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

 текущий размер файла;

 максимальный размер файла;

 признак “только для чтения”;

 признак “скрытый файл”;

 признак “системный файл”;

 признак “архивный файл”;

 признак “двоичный/символьный”;

 признак “временный” (удалить после завершения процесса);

 признак блокировки;

 длина записи в файле;

 указатель на ключевое поле в записи;

 длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять – только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рис. 22, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R – только для чтения, А – архивный, Н – скрытый, S – системный.

Рис. 22. Структура каталогов:

а – структура записи каталога MS-DOS (32 байта); б – структура записи каталога ОС UNIX

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 22, б).

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.

Статьи к прочтению:

Иерархия графического программного обеспечения
If логическое_условие goto метка_оператора

Hierarchical Clustering | Stanford University

Что такое файловая структура диска

Информация на дисках и твердотельных накопителях хранится в виде файлов – адресованных областей дискового пространства. Документы на дисках выстраиваются в логическую цепочку. Её структура представлена прообразом виртуального дерева, каждый элемент которого является частью иерархической системы:

Ствол – корень ФС.

Ветви – каталоги разного уровня, один может располагаться в другом.

Листья – файлы.

Графическое изображение иерархической файловой структуры выглядит следующим образом.

Система управления документами выполняет ряд функций:

связывает обрабатываемые операционной системой и программами данные;

занимается централизованным распределением пространства для хранения информации;

позволяет приложениям и пользователю выполнять операции над файлами и накопителями;

предотвращает несанкционированный доступ к документам.

Разновидности

Различают два вида иерархических систем, это:

Физическая – её задачи: управление пространством накопителя, размещение и предоставление доступа к файлам, формирование их структуры на дисках.

Логическая – это пространство имён или адресное пространство.

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

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

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

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

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

При описанной организации ФС документы имеют два имени:

Короткое – название и расширение, указанное через точку.

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

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

Описанная ФС ускоряет поиск нужных файлов, позволяет:

Хранить на одном разделе множество документов с одинаковыми короткими названиями, если те расположены в разных папках – имеют различные адреса.

Группировать документы по общим признакам.

Держать на компьютере несколько копий одного документа.

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

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

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

Особенности обращения к файлам

Для выполнения операций с файлом указывается его полное имя от дисковой метки до расширения. Бывают ситуации, когда для идентификации объекта достаточно использовать его краткое имя – название с расширением через точку. Для пользователя, работающего с ФС, один каталог всегда активный, например, открытый в Проводнике. Файловый обозреватель фиксирует, запоминает путь к текущей директории и использует его как относительное имя, автоматически добавляя его перед кратким.

При открытой папке «D:книгиучебники» можно ввести «информатика.pdf», а Проводник превратит путь в «D:книгиучебникиинформатика.pdf».

Монтирование

Организовать хранение содержимого внешних накопителей (флешек, компакт-дисков) на одном устройстве можно путём размещения отдельной автономной файловой структуры на внутреннем носителе. Её принято называть образом – это отдельный файл, в котором хранится точная цифровая копия содержимого флешки, логического или физического раздела. Создав такую копию, её монтируют в виртуальный дисковод и работают как с физическим носителем в режиме чтения. Изменять содержимое образа привычным способом нельзя.

Диск D: – образ, точная цифровая копия флешки.

Есть варианты объединения файловых структур разных логических либо физических накопителей в одну. После монтирования разницы между корневой и смонтированной ФС нет.

Тесты

Как называется графическое изображение иерархической файловой структуры?

Дерево.
Ветвь.
Каталог.

Что это такое файловая структура диска?

Методика хранения данных на накопителях.
Способ представления цифровой информации.
Взаимосвязь между хранящимися на нём документами.

Какую структуру имеет файловая система

Линейную.
Иерархическую.
Табличную.

Источник

Файловая
система ОС Windows.

Вся информация
(программы, документы, таблицы, рисунки и т.д.) хранятся в файлах.

Файл
(от англ.слова file — досье, набор документов) – это
поименованное место на диске для хранения информации.

Имя файла разделено на две части
точкой: собственное имя файла (перфикс) и расширение (суффикс), определяющее
его тип (программа, данные и т.д.). Собственно имя файлу дает пользователь,
а его тип обычно задается программой автоматически.

Имя файла может
иметь до 255 символов, а расширение до 4.

Например:
Рисунок. JPG

В имени и расширении
файла нельзя использовать следующие символы: *?/:<>””

Расширения
в именах файлов.

Тип файла	Расширения
Исполнимые файлы	.exe, .com, .bat
Текстовые файлы	.txt, .doc, .rtf
Графические файлы	.gif, .bmp, .jpg, .jpeg, .tif
Звуковые файлы	.wav, .midi, .mp3, .wma
Видеофайлы	.avi, .mpeg
Web-страницы	.htm, .html
Программы на языках программирования	.pas, .bas
Файлы данных	.dat, .dbf
Архиваторы данных	.arj, .rar, .zip

К характеристикам
файлов относятся:

1. Объем;

2. Атрибуты;

a)
«Только для чтения» (Read-only) —
означает, что файл доступен операционной системе только для чтения, т. е. в
него нельзя вносить какие-либо исправления. В большинстве случаев это не
означает, что исправления внести вовсе невозможно, просто при попытке изменить
файл с данным атрибутом пользователю будет показано соответствующее
предупреждение.

b)
«Скрытый» (Hidden) —
подразумевается, что файл с данным атрибутом не выводится при показе тех или
иных списков файлов..

c)
«Системный» (System) —
файлы с атрибутом «системный» чаще всего относятся к критичным файлам
операционной системы, которые нельзя удалять или изменять.

d)
«Архивный» (Archive) —
Изначально предполагалось, что этот атрибут будет указывать программам
архивации файлы, предназначенные для резервного копирования. Другими словами,
программа, осуществляющая резервное копирование файла на жестком диске, должна
была сбрасывать атрибут «архивный», а программы, вносящие в
последующем в этот файл какие-либо изменения, наоборот, вновь его
устанавливать. Таким образом, программа резервного копирования путем проверки
данного файлового атрибута могла легко определить, изменялся ли данный файл на
жестком диске с момента осуществления предыдущего резервного копирования.

3. Время;

4. Дата
последней модификации.

Папка (каталог)—
поименованное место на диске для хранения файлов. Имя папки может иметь до 255
символов. Каждая папка может содержать несколько вложенных

папок, любая из
них в свою очередь тоже может содержать вложенные папки — таким путем создается
иерархическая древовидная структура хранения папок на дисках компьютера.
Вложенные папки принято называть подпапками.

Путь – это
последовательность из имен логического диска, папок и вложенных папок,
разделенных символом /.

Например:С:/Мои
документы/Рисунки/фото1.JPG

Проводник предназначен
для управления файловой системой. С помощью проводника можно просмотреть
структуру и содержимое папок на диске.

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

д.Файловая
система определяет общую структуру именования, хранения и организации файлов в
операционной системе.

Функции файловой системы:

1. Сохранение
информации на внешних носителях

2. Чтение
информации из файлов

3. Удаление
файлов, каталогов

4. Переименование
файлов

5. Копирование
файлов и др.

Поиск
Файлов.

Шаблон
– использование
вместо имени файла символов * и ?.

Символ *
обозначает любое количество символов, ? – один произвольный символ или его
отсутствие.

Примеры
использования шаблонов:

*.* — все файлы

*.txt — school.txt, адреса.txt

*.doc
— реферат.doc, письмо.doc c*.* — cat.avi, calc.exe

зачет?.xls — зачет1.xls, зачет2.xls

??.mp3 — ИФ.mp3, 46.mp3

*к*.doc — практика.doc, клетка.doc

Запуск
проводника.

1. Вызвать
контекстное меню кнопки Пуск 2. Выбрать
открыть Проводник.

Структура
окна Проводника:

Рабочее поле
разделено на 2 области:

• Левая
область отображает дерево папок

• Правая
область содержимое открытой папки.

Буфер
обмена ОС WINDOWS.

Буфер
обмена – это участок оперативной памяти, в который временно
помещается та информация, которую вы копировали или вырезали командами Правка

Копировать или Правка Вырезать.

▪ Извлекается
информация из буфера обмена сколь угодно много раз по команде Правка
Вставить.

▪ Информация в
Буфере обмена будет содержаться до момента выполнения следующей команды
копирования (вырезания) или до момента выключения компьютера по свойствам
оперативной памяти.

▪ Независимо от
размера информации после выполнения новой команды вся информация старое
заменяется новой.

▪ Буфер обмена в
операционной системе Windows называется clipbrd.exe и находится в
C:WINDOWSsystem32.

Контрольные вопросы:

1.
Что такое файл?

2.
Для чего в имени файла нужно расширение?

3.
Из каких частей состоит имя файла?

4.
Перечислите известные вам расширения в именах файлов.

5.
Перечислите характеристики файлов.

6.
Что значит атрибут файла «только чтение»?

7.
Что значит атрибут файла «скрытый»?

8.
Что такое папка?

9.
Составьте таблицу «Отличий» файла от папки.

10. Что
такое Путь?

11. Что
такое Файловая система и какие функции она выполняет?

12. Как
запустить проводник и опишите структуру окна проводника.

13. Что
такое буфер обмена?

Источник

Файлы и файловая система

Все
программы и данные хранятся в долговременной

(внешней) памяти компьютера в виде
файлов.

Файл — это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти.

Имя файла. Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и так далее). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.

В различных операционных системах существуют различные форматы имен файлов. В операционной системе MS-DOS собственно имя файла должно содержать не более 8 букв латинского алфавита, цифр и некоторых специальных знаков, а расширение состоит из трех латинских букв, например: proba.txt

В операционной системе Windows имя файла может иметь длину до 255 символов, причем можно использовать русский алфавит, например: Единицы измерения информации.doc

Таблица 1.1. Типы файлов и расширений

Тип файла	Расширения
Программы	exe, com
Текстовые файлы	txt, doc
Графические файлы	bmp, gif, jpg и др.
Звуковые файлы	wav, mid
Видеофайлы	avi
Программы на языках программирования	bas, pas и др.

Пример файловой системы:

Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог — оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск — из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов (табл. 1.2). Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Таблица 1.2. Одноуровневый каталог

Имя файла	Номер начального сектора
Файл_1	56
Файл_2	89
Файл_112	1200

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система, которая имеет древовидную структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое представляет собой иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов.

Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Например, в корневом каталоге могут находиться два вложенных каталога 1-го уровня (Каталог_1, Каталог_2) и один файл (Файл_1). В свою очередь, в каталоге 1-го уровня (Каталог_1) находятся два вложенных каталога второго уровня (Каталог_1.1 и Каталог_1.2) и один файл (Файл_1.1) — рис. 1.3.

Файловая система — это система хранения файлов и организации каталогов.

Рис. 1.3. Иерархическая файловая система

Рассмотрим иерархическую файловую систему на конкретном примере. Каждый диск имеет логическое имя (А:, В: — гибкие диски, С:, D:, Е: и так далее — жесткие и лазерные диски).

Пусть в корневом каталоге диска С: имеются два каталога 1-го уровня (GAMES, TEXT), а в каталоге GAMES один каталог 2-го уровня (CHESS). При этом в каталоге TEXT имеется файл proba.txt, а в каталоге CHESS — файл chess.exe (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пример иерархической файловой системы

Путь к файлу. Как найти имеющиеся файлы (chess.exe, proba.txt) в данной иерархической файловой системе? Для этого необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель «» логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых содержится нужный файл. Пути к вышеперечисленным файлам можно записать следующим образом:

C:GAMESCHESS

С:ТЕХТ

Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.

Пример полного имени файла:

С GAMESCHESSchess.exe

Представление файловой системы с помощью графического интерфейса. Иерархическая файловая система MS-DOS, содержащая каталоги и файлы, представлена в операционной системе Windows с помощью графического интерфейса в форме иерархической системы папок и документов. Папка в Windows является аналогом каталога MS-DOS

Однако иерархическая структура этих систем несколько различается. В иерархической файловой системе MS-DOS вершиной иерархии объектов является корневой каталог диска, который можно сравнить со стволом дерева, на котором растут ветки (подкаталоги), а на ветках располагаются листья (файлы).

В Windows на вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол. Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети) — рис. 1.5.

Рис. 1.5. Иерархическая структура папок

Если мы хотим ознакомиться с ресурсами компьютера, необходимо открыть папку Мой компьютер.

Иерархическая система папок Windows

1. В окне Мой компьютер находятся значки имеющихся в компьютере дисков. Активизация (щелчок) значка любого диска выводит в левой части окна информацию о его емкости, занятой и свободной частях.

Источник

1. Принцип двойной адресации. Единицы хранения данных

2. Файловая структура

Что такое файловая система

Основные функции файловых систем

Задачи файловой системы

Операционные системы и типы файловых систем

Файловые системы Windows

FAT (таблица распределения файлов)

NTFS (файловая система новой технологии)

ReFS (Resilient File System)

Файловые системы macOS

Файловые системы Linux

Дополнительные файловые системы

Практический пример использования файловых систем

№ занятия: 8.
Тема: Организация файловой системы.

Логические имена устройств внешней памяти компьютера

Файл

Каталоги

Файловая структура диска

Полное имя файла

Работа с файлами

Вопросы

Самое главное

Статьи к прочтению:

Hierarchical Clustering | Stanford University

Похожие статьи:

Что такое файловая структура диска

Разновидности

Особенности обращения к файлам

Монтирование

Тесты

Навигация

Файлы и файловая система

1. Принцип двойной адресации. Единицы хранения данных

2. Файловая структура

Что такое файловая система

Основные функции файловых систем

Задачи файловой системы

Операционные системы и типы файловых систем

Файловые системы Windows

FAT (таблица распределения файлов)

NTFS (файловая система новой технологии)

ReFS (Resilient File System)

Файловые системы macOS

Файловые системы Linux

Дополнительные файловые системы

Практический пример использования файловых систем

№ занятия: 8. Тема: Организация файловой системы.

Логические имена устройств внешней памяти компьютера

Файл

Каталоги

Файловая структура диска

Полное имя файла

Работа с файлами

Вопросы

Самое главное

Статьи к прочтению:

Hierarchical Clustering | Stanford University

Похожие статьи:

Что такое файловая структура диска

Разновидности

Особенности обращения к файлам

Монтирование

Тесты

Навигация

Файлы и файловая система

№ занятия: 8.
Тема: Организация файловой системы.