Функции файловой системы и иерархия данных

Напомним, что под файлом обычно понимают именованный набор данных, орга­низованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие файловые системы. Файловая систе­ма предоставляет возможность иметь дело с логическим уровнем структуры дан­ных и операций, выполняемых над данными в процессе их обработки. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-

164___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

нибудь ином носителе. Специальное системное программное обеспечение, реали­зующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами. Назначение системы управления файлами — предоставление более удобного доступа к данным, орга­низованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с ука­занием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логи­ческий доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Благодаря системам управления файлами пользователям предоставляются следу­ющие возможности:

- создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных набо­ров данных (файлов) из своих программ или посредством специальных управ­ляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его дан­ными и активно использующих систему управления файлами;

- работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами;

- обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и уст­ройством (и наоборот);

- работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управ­ления файлами (часть API ориентирована именно на работу с файлами);

- защита файлов от несанкционированного доступа.

Как правило, все современные операционные системы имеют соответствующие системы управления файлами. А некоторые операционные системы имеют возмож­ность работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (монтируемую систему управления файлами можно устано­вить как дополнительную), и в этом смысле они самостоятельны.

Очевидно, что система управления файлами, будучи компонентом операционной системы, не является независимой от нее, поскольку активно использует соответ­ствующие вызовы API. С другой стороны, системы управления файлами сами до­полняют API новыми вызовами. Можно сказать, что основное назначение файловой системы и соответствующей ей системы управления файлами — предоставление удобного доступа к данным, организованным в виде файлов, то есть вместо низко­уровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нуж­ной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и запи­си в нем.

Следует заметить, что любая система управления файлами не существует сама по себе — она разрабатывается для работы в конкретной операционной системе. В ка­честве примера можно сказать, что всем известная файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) имеет множество реализаций как система управления файлами. Так, система, получившая это название и разрабо­танная для первых персональных компьютеров, называлась просто FAT (нынче ее

Функции файловой системы и иерархия данных_____________________________ 165

называют FAT12¹). Хотя ее разрабатывали для работы с дискетами, некоторое время она использовалась при работе с жесткими дисками. Потом ее доработали для ра­боты с жесткими дисками большего объема, и новая реализация получила назва­ние FAT 16. Это название файловой системы мы употребляем и по отношению к подсистеме управления файлами самой системы MS DOS, однако реализацию системы управления файлами для OS/2, которая использует основные принципы системы FAT, называют super-FAT; основное отличие — возможность поддержи­вать для каждого файла расширенные атрибуты. Есть версия системы управления файлами с принципами FAT и для Windows 95/98, есть реализация для Win­dows NT и т. д. Другими словами, для работы с файлами, организованными в соот­ветствии с некоторой файловой системой, для каждой операционной системы должна быть разработана соответствующая система управления файлами. И эта система управления файлами будет работать только в той операционной системе, для которой создана, но при этом обеспечит доступ к файлам, созданным с помо­щью системы управления файлами другой операционной системы, но работаю­щей по тем же основным принципам файловой системы.

В качестве примера снова можно привести всем известную файловую систему FAT, поддерживаемую абсолютным большинством операционных систем, работающих на современных персональных компьютерах. В MS DOS, OS/2, Windows 95/98/ ME, Windows NT/2000/XP, Linux, FreeBSD и других можно работать с файлами, организованными по принципам FAT. Однако программные модули соответству­ющих систем управления файлами не взаимозаменяемы. Кроме того, все эти сис­темы управления файлами имеют свои индивидуальные особенности и ограниче­ния. Иногда только из контекста ясно, о чем идет речь — о принципах работы файловой системы или о ее конкретной реализации. Другими словами, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой операционной системы должна быть разработана соответствующая систе­ма управления файлами; и эта система управления файлами будет работать толь­ко в той операционной системе, для которой она и создана. Таким образом, файло­вая система — это множество именованных наборов данных, организованное по принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной информации, необходимой для доступа к этим файлам.

Таким образом, термин файловая система определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным в файлы. Тот же термин используют и по от­ношению к конкретным файлам, расположенным на том или ином носителе дан­ных. А термин система управления файлами следует употреблять по отношению к конкретной реализации файловой системы, то есть это — комплекс программ­ных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной си­стеме.

Информация, с которой работает человек, обычно структурирована. Это, прежде всего, позволяет более эффективно организовать хранение данных, облегчает их поиск, предоставляет дополнительные возможности в именовании. Аналогично,

' Число 12 в имени этой файловой системы означает, что для указания адреса данных, составляющих файл, используется 12 двоичных разрядов.

166___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

и при работе с файлами желательно ввести механизмы структурирования. Проще всего организовать иерархические отношения. Для этого достаточно ввести поня­тие каталога (directory). Каталог содержит информацию о данных, организован­ных в виде файлов. Другими словами, в каталоге должны содержаться дескрипто­ры файлов. Если файлы организованы на блочном устройстве, то именно с помощью каталога система управления файлами будет находить адреса тех блоков, в кото­рых размещены искомые данные. Причем очевидно, что каталогом может быть не только специальная системная информационная структура, которую часто назы­вают корневым каталогом, но и сам файл. Такой файл-каталог должен иметь спе­циальное системное значение; система управления файлами должна его выделять на фоне обычных файлов. Файл-каталог часто называют подкаталогом (subdi­rectory). Если файл-каталог содержит информацию о других файлах, то посколь­ку среди них также могут быть файлы-каталоги, мы получаем возможность стро­ить почти ничем не ограниченную иерархию.

Более того, введение таких файловых объектов, как файлы-каталоги, позволяет не только структурировать файловую систему, но и решить проблему ограниченного количества элементов в корневом каталоге. Ограничений на количество элемен­тов в файле-каталоге нет, поэтому можно создавать каталоги чрезвычайно боль­шого размера.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) по­лучила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

- непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для раз­мещения в них файлов или их фрагментов;

- свободные области дискового пространства;

- дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не га­рантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска де­лится на две области (рис. 6.1): системную область и область данных.

Рис. 6.1. Структура логического диска в FAT

Системная область логического диска создается и инициализируется при форма­тировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Об­ласть данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент катало-

Файловая система FAT________________________________________________ 167

га описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном про­странстве друг за другом):

- загрузочной записи (Boot Record, BR);

- зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

- таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

- корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу­рой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту области данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принад­лежность его к тому или иному файловому объекту.

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представля­ет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее — только в области данных). Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому ката­логу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых еди­ниц в области данных логического диска.

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом мо­жет быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер зани­мает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раз­дела (табл. 6.1). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файло­вой системе FAT 16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 2¹⁰ = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

Таблица 6.1. Соотношения между размером раздела и размером кластеров в FAT16

Емкость раздела, Мбайт Количество секторов в кластере Размер кластеров, Кбайт

16-127 4 2

128-255 8 4

256-511 16 8

512-1023 32 16

1024-2047 64 32

Заметим, что в Windows NT/2000/XP разделы файловой системы FAT могут иметь размер до 4097 Мбайт. В этом случае кластер будет объединять уже 128 секторов.

Номер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, зарезер­вированному для файлов и подкаталогов). Номера кластеров соответствуют эле-

168____________________________________________ Глава 6, Файловые системы

ментам таблицы размещения файлов. Первый допустимый номер кластера всегда начинается с 2.

Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

- прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT; - уменьшается возможная фрагментация файлов;

- ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенных для него.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использова­нию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов. Как мы только что заметили, в среднем на каждый файл теряется около половины кластера. Из табл. 6.1 следует, что при размере кластера в 32 сектора (объем разде­ла при этом — от 512 до 1023 Мбайт), то есть 16 Кбайт, средняя величина потерь на файл равняется 8 Кбайт, и при нескольких тысячах файлов¹ потери могут со­ставлять более 100 Мбайт. Поэтому в современных файловых системах размеры кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляет­ся возможность выбирать размер кластера.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размеще­ния файлов, иллюстрирует рис. 6.2.

Рис. 6.2. Иллюстрация основной концепции FAT

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для на­шего примера может быть записана следующим образом: 8, 9,0А, 0В, 15,16,17,19,

¹ Например, число 10 000-15 000 файлов (или даже более, особенно когда файлы небольшого разме­ра) на логическом диске с объемом в 1000 Мбайт встречается достаточно часто.

Файловая система FAT 169

1А, 1B, 1С, 1D. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой (bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматирова­нии обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те сектора, при конт­рольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие. Кластер 1D помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, принадлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом 00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый сво­бодный кластер. Возможные значения, которые могут приписываться элементам таблицы FAT, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2.Значения элементов FAT

Значение Описание

OOOOh Свободный кластер

fffOh—fff6hЗарезервированный кластер

fff7h Плохой кластер

fffSh—ffffhПоследний кластер в цепочке

0002h-ffefh Номер следующего кластера в цепочке

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличива­ются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть дан­ные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приво­дит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсив­но, она обычно загружается в оперативную намять (в буферы ввода-вывода или в кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица боль­шая, а файловый кэш, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух иден­тичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Об­новляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обраще­ние ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления файловой структуры ScanDisk из ОС Windows 9x при обнаружении несоответствия первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, ис­пользуя данные из копии.

Корневой каталог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо раз­мещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится ин­формация в соответствии со структурой, представленной в табл. 6.3.

Для работы с данными на магнитных дисках в системах DOS, которые имеют файло­вую систему FAT, удобно использовать широко известную утилиту Disk Editor из

170___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

комплекта утилит Питера Нортона. У нее много достоинств. Прежде всего, она ком­пактна, легко размещается на системной дискете с MS DOS, снабжена встроенной системой подсказок и необходимой справочной информацией. Используя ее, можно сохранять, модифицировать и восстанавливать загрузочную запись, восстанавливать таблицу FAT в случае ее повреждения, а также выполнять много других операций. Основными недостатками этой программы на сегодняшний день являются ограниче­ния на размеры диска и разделов и отсутствие поддержки работы с такими распрост­раненными файловыми системами, как FAT32 и NTFS. Вместо нее теперь часто ис­пользуют утилиту Partition Magic, однако наилучшей альтернативой этой программе на сегодняшний день можно считать утилиту Администратор дисков от Acronis.

Таблица 6.3.Структура элемента каталога

Размер поля данных, байт Содержание поля

11 Имя файла или каталога

1 Атрибуты файла

1 Резервное поле

3 Время создания

2 Дата создания

2 Дата последнего доступа

2 Зарезервировано

2 Время последней модификации

2 Дата последней модификации

2 Номер начального кластера в FAT

4 Размер файла

Структура загрузочной записи DOS

Сектор, содержащий системный загрузчик DOS, является самым первым на логи­ческом диске С:. Напомним, что на дискете системный загрузчик размещается в са­мом первом секторе; его физический адрес равен 0-0-1. Загрузочная запись состо­ит, как мы уже знаем, из двух частей: блока параметров диска (Disk Parameter Block, DPB) и системного загрузчика (System Bootstrap, SB). Блок параметров диска слу­жит для идентификации физического и логического форматов логического диска, а системный загрузчик играет существенную роль в процессе загрузки DOS. Эта информационная структура приведена в табл. 6.4.

Первые два байта загрузочной записи занимает команда безусловного перехода (JMP) на программу SB. Третий байт содержит код 90Н (NOP — нет операции). Да­лее располагается восьмибайтовый системный идентификатор, включающий ин­формацию о фирме-разработчике и версии операционной системы. Затем следует блок параметров диска, а после него — системный загрузчик.

Для работы с загрузочной записью DOS, как и с другими служебными информа­ционными структурами, удобно использовать уже упомянутую программу Disk

Файловая система FAT________________________________________________ 171

Editor из комплекта утилит Питера Нортона. Используя ее, можно сохранять, мо­дифицировать и восстанавливать загрузочную запись, а также выполнять много других операций. Достаточно подробно работа с этой утилитой описана в [2].

Таблица 6.4. Структура загрузочной записи для FAT16

Смещение поля, Длина поля, Обозначение Содержимое поля
байт байт поля

ООН (0) 3 JUMP 3EH Безусловный переход на начало

системного загрузчика

ОЗН (3) 8 Системный идентификатор

ОВН (11) 2 SectSize Размер сектора, байт

ООН (13) 1 ClastSize Число секторов в кластере

0ЕН(14) 2 ResSecs Число зарезервированных секторов

10Н (16) 1 FATcnt Число копий FAT

11Н (17) 2 RootSize Максимальное число элементов Rdir

13Н (19) 2 TotSecs Число секторов на логическом диске,

если его размер не превышает 32 Мбайт; иначе 0000Н

15Н (21) 1 Media Дескриптор носителя

16Н(22) 2 FATsize Размер FAT, секторов

18Н(24) 2 TrkSecs Число секторов на дорожке

1АН(26) 2 HeadCnt Число рабочих поверхностей

1СН(28) 4 HidnSecs Число скрытых секторов

20Н (32) 4 Число секторов на логическом диске,

если его размер превышает 32 Мбайт

24Н (36) 1 Тип логического диска (ООН — гибкий,

80Н — жесткий)

25Н (37) 1 Зарезервировано

26Н (38) 1 Маркер с кодом 29Н

27Н (39) 4 Серийный номер тома¹

2ВН (43) 11 Метка тома

36Н (54) 8 Имя файловой системы

ЗЕН (62) Системный загрузчик

1FEH (510) 2 Сигнатура (слово АА55Н)

¹ Том (volume) представляет собой единое логическое адресное пространство. Томом может быть обыч­ный логический диск либо несколько дисковых пространств.