Лекция 4_Файловая система

Логическая организация файловой системы
Одна из основных задач ОС – предоставление удобного пользовательского интерфейса при работе с данными, хранящимися на носителях. Логическая модель в рамках ОС подменяет физическую модель размещения данных на носителях.
Файл – именованная область внешней памяти, в которую могут записываться и откуда могут считываться данные. Применение файлов позволяет решить следующие задачи:
долговременное хранение информации;
совместное использование информации.

Файловая система
Файловая система – часть ОС, включающая:
совокупность всех файлов на дисках;
наборы структур данных, используемых для управления (каталоги, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства);
комплекс системных программных средств, реализующих операции над файлами (создание, удаление, чтение, запись, именование и поиск файлов).
В многопользовательских системах добавляются функции по обеспечению защиты данных от несанкционированного доступа.
Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов:
обычные файлы;
каталоги;
ссылки;
именованные конвейеры;
файлы, отображаемые на память и т.д.

Иерархическая структура файловой системы
Пользователи обращаются к файлам по их символьным именам. Для удобства пользователя логическая структура хранения данных представляет иерархическую структуру.
Граф, описывающий структуру файловой системы может представлять собой дерево или сеть.
В Windows используется древовидная организация, в UNIX – сетевая.
Windows
i386
system32
at.exe

Имена файлов
Каждый файл имеет некоторое символьное имя. В иерархических системах выделяют три типа имен файлов:
простое (имя файла в пределах одного каталога);
полное (цепочка простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до файла);
относительное (имя включает имена каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога к искомому файлу).
В различных операционных системах есть свои ограничения на использование символов при присвоении имени, а также на длину относительного и полного имени файла.

Монтирование файловой системы
В общем случае вычислительная система может иметь несколько устройств внешней памяти. Для обеспечения доступа к данным, хранящимся на разных носителях используются два подхода.
На каждом устройстве размещается автономная файловая система, со своим деревом каталогов (например, в MS-DOS накопители нумеруются a:, c: и т.д.).
Монтирование файловой системы – операция объединения файловых систем в единую файловую систему (например, в операционных системах семейства UNIX).

Монтирование файловой системы

Монтирование файловой системы

Атрибуты файлов
Тип файла
Владелец файла
Создатель файла
Пароль для доступа к файлу
Информация о разрешенных операциях к файлу
Время создания, последнего доступа и модификации файла
Признак «только для чтения»
Признак «скрытый файл»
Признак «системный файл»
Признак «двоичный/ символьный файл»
Признак «временный файл»
Признак блокировки
Длина записи в файле
Др.
Атрибут – информация, описывающая некоторые свойства файла, например:

Логическая организация файла
В общем случае данные, хранящиеся в файле, имеют некоторую логическую структуру (формат хранения данных). Поддержание структуры данных в файле возлагается либо целиком на приложение, либо часть функций на файловую систему.
Неструктурированная модель файла широко используется в большинстве современных ОС.
Структурированный файл рассматривается ОС как упорядоченная совокупность логических записей. Развитием данного подхода являются системы управления базами данных (СУБД).

Логическая запись является наименьшим элементом данных, которым может оперировать программист при организации обмена с внешним устройством.
Файловая система может использовать два способа доступа к логическим записям:
последовательный доступ - читать или записывать логические записи последовательно ;
прямой доступ - позиционировать файл на запись с указанным номером.
Логическая организация файла

Файлы, доступ к записям которых осуществляется последовательно, по номерам позиций, называются неиндексированными, или последовательными.
Индексированные файлы допускают более быстрый прямой доступ к отдельной логической записи, которая имеет одно или более ключевых (индексных) полей и могут адресоваться путем указания значений этих полей.
Логическая организация файла

ФИЗИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ
Операционные системы и среды

Схема устройства жесткого диска
Дорожка N
Сектор (блок)
Пластина 1
Пластина 2
Цилиндр 0
сторона
Диск – одна или несколько стеклянных или металлических пластин, образующих пакет.
Дорожки – тонкие концентрические кольца (от 0 до N).
Цилиндр – совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин.
Сектор (блок) – фрагмент дорожки.
Все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт.
Размер сектора – 512 байт.
Дорожка 0
Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора.

Операционная система при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства , называемую кластером. При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Дорoжки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого форматирования диска.
Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования.
Файловая система NTFS
Файловая система FAT
Файловая система NTFS
Разбиение диска на разделы
Раздел – это непрерывная часть физического диска, которую ОС представляет пользователю как логическое устройство (логический диск). На разных логических устройствах одного и того же физического устройства могут располагаться файловые системы разного типа.

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;
степень фрагментированности дискового пространства;
максимально возможный размер файла.

Физическая организация файла
1
2
3
4
6
7
8
6
5
4
3
2
1
1. Непрерывное размещение
файл
Файлу предоставляется последовательность кластеров диска, образующих непрерывный участок дисковой памяти.
Достоинства: высокая скорость доступа, так как затраты на поиск и считывание кластеров файла минимальны. Минимален объем адресной информации - достаточно хранить только номер первого кластера и объем файла.
Недостатки: большие трудности в реализации, фрагментация

7
8
6
5
4
3
2
1
9
Связанный список кластеров
В начале каждого кластера содержится указатель на следующий кластер. Адресная информация минимальна: расположение файла может быть задано одним числом - номером первого кластера. Каждый кластер может быть присоединен к цепочке кластеров какого-либо файла, а значит, фрагментация на уровне кластеров отсутствует.
Достоинства: адресная информация минимальна.
Недостатки: сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла – чтобы прочитать пятый по порядку кластер файла, необходимо прочитать четыре первых кластера, прослеживая цепочку номеров кластеров.
4
6
9
Физическая организация файла

7
8
6
5
4
3
2
1
3
5
Область индексов
3. Связанный список индексов
Файлу 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. Индексы располагаются в отдельной области диска - в MS DOS это таблица FAT, занимающая один кластер.
Достоинства: минимальность адресной информации, отсутствие фрагментации. Доступ к произвольному кластеру файла.
Физическая организация файла

7
8
6
5
4
3
2
1
4. Перечень номеров кластеров
9
10
Файл 2,4,5,7
Перечень номеров кластеров и служит адресом файла.
Достоинства: высокая скорость доступа к произвольному кластеру файла, так как применяется прямая адресация. Отсутствует фрагментация.
Недостатки: длина адреса зависит от размера файла и для большого файла может составлять большую величину.
Физическая организация файла

Физическая организация FAT
Физическая структура файловой системы FAT
Загрузочный сектор (512 байт)
0 1 2 3
FAT 1
FAT 2 (копия)
.
.
.
Root directory
0 1 2 3 . . .
Data
Элементы (указатели) FAT
32 байт – одна запись каталога
Кластеры данных
Области FAT:
загрузочный сектор содержит программу начальной загрузки ОС;
основная копия FAT содержит информацию о размещении файлов и каталогов на диске;
резервная копия FAT;
корневой каталог занимает фиксированную область размером в 32 сектора (16 Кбайт), что позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах, так как каждая запись каталога состоит из 32 байт;
область данных предназначена для размещения всех файлов и всех каталогов, кроме корневого каталога.

Основные отличительные свойства NTFS:
поддержка больших файлов и больших дисков объемом до 264 байт;
восстанавливаемость после сбоев и отказов программ и аппаратуры управления дисками ;
высокая скорость операций, в том числе и для больших дисков;
низкий уровень фрагментации , в том числе и для больших дисков;
гибкая структура, допускающая развитие за счет добавления новых типов записей и атрибутов файлов с сохранением совместимости с предыдущими версиями ФС;
устойчивость к отказам дисковых накопителей;
поддержка длинных символьных имен;
контроль доступа к каталогам и отдельным файлам.
Физическая организация NTFS