Тема 19. Логическая организация файловой системы

ОС предоставляет пользователю удобства при работе с данными на дисках. Для этого ОС подменяет физическуюструктуру данных удобной для пользователя логической моделью. Логическая модель файловой системы материализуется в виде дерева каталогов, в символьных составных именах файлов, в командах работы с файлами.

Типы файлов

Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного харак­тера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ.

Каталоги – это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-ли­бо признаку. 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.

Специальные файлы – это 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. Современные ФС поддерживают и другие типы файлов (символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы).

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.

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. 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.

Имена файлов

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

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты. 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.

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». Файл идентифицируется цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла.

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 ОС. Пример – номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Монтирование

ВС может иметь несколько дисковых уст­ройств. Одно физическое устройство с помощью средств ОС может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности путем разбиения дискового пространства на разделы. Каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти? Два решения:

1) На каждом из устройств размещается авто­номная ФС, 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. Пример: MS-DOS.

2) Пользователю предоставляется возможность объединять файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую ФС, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием.

Атрибуты файлов

Файл – это не только данные, 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. Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предос­тавленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать зна­чения любых атрибутов, а изменять – только некоторые.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рис. 19.1, 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. Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, ко­гда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реали­зован, например, в файловой системе ufsОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла (inode), так называ­ется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 19.1, 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.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое логическая модель файловой системы?

2. Как связаны полное имя файла и рабочий каталог?

3. Какие типичные операции могут выполняться с каталогм?

4. Какие типичные права доступа могут быть предоставлены определенному пользователю по отношению к некоторому файлу?

5. Какова запись каталога в MS DOS?

6. Какова запись каталога в UNIX?

Литература

1. Бэкон Д., Харрис Т. Операционные системы. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2004. – 800 с.

2. Камер Д., Стивенс Д. Сети TCP/IP, том. 3. Разработка приложений типа клиент/сервер для Linux/POSIX. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2002. – 592 с.

3. Митчел М., Оулдем Дж., Самьюэл А. Программирование для Linux. Профессиональный подход. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2004. – 288 с.

4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. – СПб.: Питер, 2005. – 539 с.

5. Стивенс У. UNIX: взаимодействие процессов. – СПб.: Питер, 2003. – 576 с.

6. Стивенс У. UNIX: разработка сетевых приложений. – СПб.: Питер, 2004. – 1086 с.

7. Столлингс В. Операционные системы. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2004. – 848 с.

8. Таненбаум Э. Современные операционные системы. – СПб.: Питер, 2002. – 1040 с.

9. Уолтон Ш. Создание сетевых приложений в среде Linux. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2001. – 464 с.

Перечень сокращений

API	–	интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface)
DMA	-	прямой доступ к памяти (Direct Memory Access)
FIFO	–	первым пришел, первым вышел (First In First Out)
PID	–	идентификатор процесса (Process Identifier)
TCP	–	протокол управления передачей (Transmission Control Protocol)
UDP	–	протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol)
БД	–	база данных
ВС	–	вычислительная система
КС	–	критическая секция
ЛВС	–	локальная вычислительная сеть
НМЛ	–	накопитель на магнитной ленте
ОП	–	оперативная память
ОС	–	операционная система
ОС РВ	–	операционная система реального времени
ПК	–	персональный компьютер
ПО	–	программное обеспечение
УВВ	–	устройство ввода-вывода
ФС	–	файловая система
ЭВМ	–	электронно-вычислительная машина