Имена файлов. Монтирование. Атрибуты файлов. Логическая организация файла.

Все типы файлов имеют символьные имена, и в иерархически организованных ФС обычно используются три типа: простые, составные и относительные. Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. До сравнительно недавнего времени границы в простых наименованиях файлов были весьма узкими. В популярной файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3, а в ФС 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 ФС, а также усовершенствованные варианты уже существовавших, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав ОС Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

В иерархических ФС разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. Здесь работает схема «много файлов — одно простое имя». Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя. Полное имя – цепочка простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл — одно полное имя». В ФС с сетевой структурой файл может входить в несколько каталогов и иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл — много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем. В некоторых ОС 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.

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. ФС 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.

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. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств. Возникает вопрос, каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти? Первое решение: 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. Другим вариантом является 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.

В 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 – системный. ФС на системном диске становится корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некоторый существующий каталог. После выполнения монтирования выбранный каталог становится корневым каталогом второй файловой системы. Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву. После монтирования общей ФС 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.

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и 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.

В ФС разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Пользователь может получать доступ к ним, используя средства, предоставленные для этих целей ФС. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять — только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу, но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается. Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах. Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами, но когда имя файла отделено от его атрибутов, система становится 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.

Данные в файле имеют некую логическую структуру, базовую при разработке программы для обработки этих данных. Например, чтобы текст мог быть правильно выведен на экран, программа должна иметь возможность выделить отдельные слова, строки, абзацы и т. д. 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 ФС. В первом случае файл представляется ФС неструктурированной последовательностью данных. Приложение формулирует запросы к файловой системе на ввод-вывод, используя общие для всех приложений системные средства. Поступивший к приложению поток байт интерпретируется в соответствии с заложенной в программе логикой. Модель файла, в соответствии с которой содержимое файла представляется неструктурированной последовательностью (потоком) байт, стала популярной вместе с ОС UNIX, а теперь она широко используется в большинстве современных ОС. Неструктурированная модель файла позволяет легко организовать разделение файла между несколькими приложениями: разные приложения могут по-своему структурировать и интерпретировать данные, содержащиеся в файле. В случае структурированного файла (используется очень редко) структуру файла поддерживает ФС. Она видит файл как упорядоченную последовательность логических записей. Приложение может обращаться к ФС с запросами на ввод-вывод на уровне записей. ФС предоставляет приложению доступ к записи, а вся дальнейшая обработка данных, содержащихся в этой записи, выполняется приложением. Развитием этого подхода стали СУБД, которые поддерживают не только сложную структуру данных, но и взаимосвязи между ними.

Логическая запись – наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при организации обмена с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется бОльшими единицами, ОС должна обеспечивать программисту доступ к отдельной логической записи. ФС 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). ОС не может поддерживать все возможные способы структурирования данных в файле, поэтому в тех ОС, в которых вообще существует поддержка логической структуризации файлов, она существует для небольшого числа широко распространенных схем логической организации файла. Например, представление данных в виде записей, длина которых фиксирована в пределах файла. В таком случае доступ к n-й записи осуществляется либо путем последовательного чтения (n-1) предшествующих записей, либо прямо по адресу, вычисленному по ее порядковому номеру (длина записи * n). 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, размер которых изменяется в пределах одного файла. Для поиска нужной записи система должна последовательно считать все предшествующие записи. Вычислить адрес нужной записи по ее номеру при такой логической организации файла невозможно, то есть не может быть применен более эффективный метод прямого доступа. Файлы, доступ к записям которых осуществляется последовательно, по номерам позиций, называются неиндексированными, или последовательными.

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

Это всё относится к обычным файлам, которые могут быть как структурированными, так и неструктурированными. Что же касается других типов файлов, то они обладают определенной структурой, известной файловой системе. Например, ФС должна понимать структуру данных, хранящихся в файле-каталоге или символьной ссылке.