Тема 14. Основные понятия файловой системы (ФС). Цели и задачи ФС. Структура ФС.

Лекция 14. Основные понятия файловых систем. Цели и задачи файловой системы. Структура файловой системы.

090201 Компьютерные сети и комплексы

ОП.07 Операционные системы и среды

1 часть

Основные понятия файловых систем.

Рис. 14.1.

Что это ?

Это – иерархия

Файловых

Систем

… ,

ОС Windows, ОС UNIX

Вопросы для конспектирования № 1:

• Основные понятия файловых систем (ФС, файл, каталог, атрибут).

Рисунок части № 1

• Пользователи обращаются к файлам по символьным именам.
• Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 14.1, б), и сеть – если файл может входить сразу в несколько каталогов (рис. 14.1, 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).
• Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рис. 14.1, а).

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 занятого пространства на диске;
• Комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файл или обычный файл

• Файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Файлы хранятся в памяти, на зависящей от электропитания, обычно – на магнитных дисках.
• Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ.

Понятие «файл»

• 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, время 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.

Системные вызовы, относящиеся к работе с файлами

• Файлы предназначены для хранения информации с возможностью ее последующего извлечения. Разные системы предоставляют различные операции, позволяющие сохранять и извлекать информацию. Далее рассматриваются наиболее распространенные системные вызовы, относящиеся к работе с файлами.
• Create (Создать). Создает файл без данных. Цель вызова состоит в объявлении о появлении нового файла и установке ряда атрибутов.
• Delete (Удалить). Когда файл больше не нужен, его нужно удалить, чтобы освободить дисковое пространство. Именно для этого и предназначен этот системный вызов.

Системные вызовы, относящиеся к работе с файлами

• Read (Произвести чтение). Считывание данных из файла. Как правило, байты поступают с текущей позиции. Вызывающий процесс должен указать объем необходимых данных и предоставить буфер для их размещения.
• Write (Произвести запись). Запись данных в файл, как правило, с текущей позиции. Если эта позиция находится в конце файла, то его размер увеличивается. Если текущая позиция находится где-то в середине файла, то новые данные пишутся поверх существующих, которые утрачиваются навсегда.
• Seek (Найти). При работе с файлами произвольного доступа нужен способ указания места, с которого берутся данные. Одним из общепринятых подходов является применение системного вызова seek, который перемещает указатель файла к определенной позиции в файле. После завершения этого вызова данные могут считываться или записываться с этой позиции.

Системные вызовы, относящиеся к работе с файлами

• Rename (Переименовать). Нередко пользователю требуется изменить имя существующего файла. Этот системный вызов помогает решить эту задачу. Необходимость в нем возникает не всегда, поскольку файл может быть просто скопирован в новый файл с новым именем, а старый файл затем может быть удален.

Каталоги и специальные файлы

• 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.
• Специальные файлы – это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам.

Доступ к файлам ФС

• 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).

Тест № 1

• 1. … – это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку.
• А) Каталоги
• Б) Файлы
• В) Специальные файлы

2 часть

Цели и задачи файловой системы. Структура файловой системы.

Рис. 14.2.

Что это ?

Рис. 14.3.

Слева - Небольшой

файл NTFS;

Справа - Структура

тома NTFS

Вопросы для конспектирования № 2:

• 1. Цели и задачи файловой системы (перечислить).
• 2. Структура файловой системы (MFT и его структура, загрузочный блок).

Небольшой файл NTFS

• Если файл имеет небольшой размер, то он может целиком располагаться внутри одной записи MFT, имеющей например, размер 2 Кбайт. Небольшие файлы NTFS состоят по крайней мере из следующих атрибутов (рис. 14.2):
• - стандартная информация (SI – standart information);
• - имя файла (FN – file name);
• - данные (Data);
• - дескриптор безопасности (SD – security descriptor).

Структура тома NTFS

• Основная структура тома NTFS является главной таблицей файлов (Master File Table, MFT), которая содержит, по крайней мере, одну запись для каждого файла тома, включая одну запись для самой себя.
• Каждая запись MFT имеет фиксированную длину, зависящую от объема диска, 1, 2 или 4 Кбайт (по умолчанию 2 Кбайт).
• Все файлы на томе NTFS идентифицируются номером файла, который определяется позицией файла в MFT.
• Весь том NTFS состоит из последовательности кластеров, что отличает эту файловую систему от рассмотренных ранее, где на кластеры делилась только область данных. Порядковый номер кластера в томе NTFS называется логическим номером кластера (Logical Cluster Number, LCN). Файл NTFS также состоит из последовательности кластеров, при этом порядковый номер кластера внутри файла называется виртуальным номером кластера (Virtual Cluster Number, VCN).

• Базовая единица распределения дискового пространства для файловой системы NTFS – непрерывная область кластеров, называемая отрезком. В качестве адреса отрезка NTFS использует логический номер его первого кластера, а также количество кластеров в отрезке k, то есть пара (LCN, k). Таким образом, часть файла, помещенная в отрезок и начинающаяся с виртуального кластера VCN, характеризуется адресом, состоящим из трех чисел: (VCN, LCN, k).
• Для хранения номера кластера в NTFS используются 64-разрядные указатели, что дает возможность поддерживать тома и файлы размером до 2 64 кластеров. При размере кластера в 4 Кбайт это позволяет использовать тома и файлы, состоящие из 64 миллиардов килобайт.
• Структура тома NTFS показана на рис. 14.3. Загрузочный блок тома NTFS располагается в начале тома, а его копия – в середине тома. Загрузочный блок содержит стандартный блок параметров BIOS, количество блоков в томе, а также начальный логический номер кластера основной копии MFT и зеркальную копию MFT.
• Далее располагается первый отрезок MFT, содержащий 16 стандартных, создаваемых при форматировании записей о системных файлах NTFS.

Цели ФС

• Цели использования файлов:
• 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.

Цели ФС

• Совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобства работы с файлами, включая каталоги-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 затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Задачи ФС

• Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом.
• Самый простой тип ФС – однопользовательские и однопрограммные ОС, например MS-Dos.
• ФС MS-Dos решает следующие задачи:

• Именование файлов Программный интерфейс для приложений Отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных Устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств
• Именование файлов
• Программный интерфейс для приложений
• Отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных
• Устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств

Задачи ФС

• Задачи ФС усложняются в операционных однопользовательских мультипрограммных ОС (например, OS/2). К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл выступает разделяемым ресурсом, ФС решает проблемы связанные с таким ресурсом (средства блокировки файла и его частей, предотвращения гонок, исключения тупиков, согласование копий и т.п.).
• В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

Тест № 2

1. По умолчанию, запись MFT, имеет фиксированную длину, зависящую от объема диска, равна ___ Кбайт.

А) 1

Б) 2

В) 4

Тесты для самоконтроля:

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

А) Каталоги

Б) Файлы

В) Специальные файлы

2. По умолчанию, запись MFT, имеет фиксированную длину, зависящую от объема диска, равна ___ Кбайт.

А) 1

Б) 2

В) 4

Спасибо за внимание !!!