Файловая система пк. Файловая система Файловые системы примеры функции и назначение

Рано или поздно начинающий пользователь компьютера сталкивается с таким понятием, как файловая система (ФС). Как правило, впервые знакомство с данным термином происходит при форматировании носителя информации: логические диски и подключаемые носители (флешки, карты памяти, внешний жесткий диск).

Перед форматированием операционная система Windows предлагает выбрать вид файловой системы на носителе, размер кластера, способ форматирования (быстрое или полное). Давайте разберемся, что же такое файловая система и для чего она нужна?

Вся информация записывается на носитель в виде , которые должны располагаться в определенном порядке, иначе операционная система и программы не смогут оперировать с данными. Этот порядок и организует файловая система с помощью определенных алгоритмов и правил размещения файлов на носителе.

Когда программе требуется файл, записанный на диске, ей нет необходимости знать, как и где он хранится. Все, что от программы требуется – это знать имя файла, его размер и атрибуты, чтобы передать эти данные файловой системе, которая обеспечит доступ к нужному файлу. То же самое происходит и при записи данных на носитель: программа передает информацию о файле (имя, размер, атрибуты) файловой системе, которая сохраняет его по своим определенным правилам.

Для лучшего понимания представьте библиотекаря, который выдает клиенту книгу по ее названию. Или в обратном порядке: клиент сдает прочитанную книгу библиотекарю, который размещает ее обратно на хранение. Клиенту совсем нет необходимости знать, где и как хранится книга, это обязанность служащего заведения. Библиотекарь знает правила каталогизации библиотеки и согласно этим правилам разыскивает издание или размещает его обратно, т.е. выполняет свои служебные функции. В данном примере библиотека – это носитель информации, библиотекарь – файловая система, клиент – программа.

Основные функции файловой системы

Основными функциями файловой системы являются:

• размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
• определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
• создание, чтение и удаление файлов;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
• определение структуры файла;
• организация каталогов для логической организации файлов;
• защита файлов при системном сбое;
• защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Информация, записываемая на жесткий диск или любой другой носитель, размещается в нем на основе кластерной организации. Кластер представляют собой своего рода ячейку определенного размера, в которую помещается весь файл или его часть.

Если файл имеет размер кластера, то он занимает только один кластер. Если размер файла превышает размер ячейки, то он размещается в нескольких ячейках-кластерах. Причем свободные кластеры могут находиться не рядом с другом, а быть разбросанными по физической поверхности диска. Такая система позволяет наиболее рационально использовать место при хранении файлов. Задача файловой системы — разложить файл при записи по свободным кластерам оптимальным образом, а также собрать его при чтении и выдать программе или операционной системе.

Виды файловых систем

В процессе эволюции компьютеров, носителей информации и операционных систем возникало и пропадало большое количество файловых систем. В процессе такого эволюционного отбора, на сегодня для работы с жесткими дисками и внешними накопителями (флешки, карты памяти, внешние винчестеры, компакт диски) в основном используются следующие виды ФС:

1. FAT32
2. ISO9660

Последние две системы предназначены для работы с компакт дисками. Файловые системы Ext3 и Ext4 работают с операционными системами на основе Linux. NFS Plus – это ФС для операционных систем OS X, используемых в компьютерах фирмы Apple.

Самое большое распространение получили файловые системы NTFS и FAT32 и это не удивительно, т.к. они предназначены для операционных систем Windows, под управлением которых работает подавляющее большинство компьютеров в мире.

Сейчас FAT32 активно вытесняется более продвинутой системой NTFS по причине ее большей надежности к сохранности и защите данных. К тому же последние версии ОС Windows просто не дадут себя установить, если раздел жесткого диска будет отформатирован в FAT32. Программа установки потребует отформатировать раздел в NTFS.

Файловая система NTFS поддерживает работу с дисками объемом в сотни терабайт и размером одного файла до 16 терабайт.

Файловая система FAT32 поддерживает диски до 8 терабайт и размер одного файла до 4Гб. Чаще всего данную ФС используют на флешках и картах памяти. Именно в FAT32 форматируют внешние накопители на заводе.

Однако ограничение на размер файла в 4Гб на сегодня уже является большим минусом, т.к. в связи с распространением высококачественного видео, размер файла с фильмом будет превышать это ограничение и его будет невозможно записать на носитель.

Поделиться.

Одной из главных задач ОС является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современных ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистемы ввода-вывода. Подсистема ввода-вывода включает драйверы, для управления внешними устройствами, и файловую систему.

Для предоставления удобства работы пользователя с данными, которые хранятся на дисках, ОС заменяет физическую организацию данных её логической моделью. Логическая структура – дерево каталогов, которое отображается на экране программой «Проводник» и т.д.

Файл – именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках. Данные организуются в файлы с целью долговременного и надежного хранения информации и с целью совместного использования информации. Для файла могут быть установлены атрибуты, в компьютерных сетях – права доступа.

Файловая система включает:

Совокупность всех файлов на логическом диске;

Структуры данных, которые используются для управления файлами – таблицы свободного и занятого пространства на диске, таблицы расположения файлов и т.д.

Системные программные средства, которые позволяют выполнять операции над файлами, такие как создание, удаление, копирование, перемещение, переименование, поиск.

Каждая ОС имеет свою файловую систему.

Функции файловой системы:

Распределение дисковой памяти;

Присвоение имени файлу;

Отображение имени файла в соответствующий физический адрес во внешней памяти;

Обеспечение доступа к данным;

Защита и восстановление данных;

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят:

Обычные файлы , или просто файлы, которые содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая создается в результате работы системных или пользовательских программ. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Обычные файлы делятся на два больших класса: исполнимые и неисполнимые. ОС должна уметь распознавать собственный исполнимый файл.

Каталоги – особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, которые размещены в этом каталоге (содержит имена и сведения о файлах). С точки зрения пользователя каталоги позволяют упорядочить хранение данных на диске. С точки зрения ОС каталоги используются для управления файлами.

Специальные файлы – это фиктивные файлы, которые соответствуют устройствам ввода-вывода и предназначены для выполнения команд ввода-вывода.

Как правило, файловая система имеет иерархическую структуру, во главе которой располагает один корневой каталог, имя которого совпадает с именем логического диска, а уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня входит в каталог более высокого уровня.

Каждый файл любого типа имеет свое символьное имя, правила образовании символьных имен свои в каждой ОС. В иерархически организованных файловых системах используется три типа имен: простое или символьное, полное имя или составное и относительное.

Простое имя определяет файл в пределах одного каталога. Файла могут иметь одинаковые символьные имена, если они расположены в разных каталогах. «Много файлов – одно простое имя».

Полное имя представляет собой последовательность простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла, и самого имени файла. Полное имя файла однозначно определяет файл в файловой системе. «Один файл – одно полное имя»

Относительное имя файла определяется через понятие текущий каталог, то есть тот каталог, в котором в данный момент находиться пользователь. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, для того чтобы затем использовать его как дополнение к относительному имени для образования полного имени. Пользователь записывает имя файла, начиная от текущего каталога.

Если ОС поддерживает несколько устройств внешней памяти (жесткий диск, дисковод, CD ROM), то хранение файлов может быть организовано двумя способами:

1. На каждом из устройств размещается автономная (своя собственная) файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются свои деревом каталогов ни как не связанных с деревом каталогов другого устройства;

2. Монтирование файловых систем (ОС UNIX). Пользователь имеет возможность объединить файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, которая будет иметь единое дерево каталогов.

Атрибуты файлов – свойства, приписываемые файлу. Основные атрибуты – Только для чтения, Системный, Скрытый, Архивный.

Файловая система ОС должна предоставить пользователю набор операций для работы с файлами в виде системных вызовов. Этот набор включает системные вызовы: create (создать файл), read (читать), write (запись), close (закрыть) и некоторых других. При работе с одним файлом, как правило, выполняется не одна операция, а последовательность. Например, при работе в текстовом редакторе. Какая бы операция не выполнялась над файлом, ОС должна выполнить ряд универсальных для всех операций действий:

1. По символьному имени файла найти его характеристики, которые хранятся в файловой системе на диске;

2. Скопировать характеристики файла в ОП;

3. На основании характеристик файла проверить права доступа на выполнение запрашиваемой операции (чтение, запись, удаление);

4. После выполнения операции с файлом очистить область памяти, отведенную под временное хранение характеристик файла.

Работа с файлом начинается с системного вызова OPEN , который копирует характеристики файла и проверят права доступа, и завершается системным вызовом CLOSE, который освобождает буфер с характеристиками и делает невозможным продолжение работы с файлом без его повторного открытия.

Файловая организация данных называют распределение файлов по каталогам, каталогов по логическим дискам. Логический диск – Каталог – Файл . Пользователь имеет возможность получить информацию о файловой организации данных.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на конкретном устройстве внешней памяти называется Физической организацией файловой системы.

Почему смартфон может не запускать программы с карты памяти? Чем ext4 принципиально отличается от ext3? Почему флешка проживет дольше, если отформатировать ее в NTFS, а не в FAT? В чем главная проблема F2FS? Ответы кроются в особенностях строения файловых систем. О них мы и поговорим.

Введение

Файловые системы определяют способ хранения данных. От них зависит, с какими ограничениями столкнется пользователь, насколько быстрыми будут операции чтения и записи и как долго накопитель проработает без сбоев. Особенно это касается бюджетных SSD и их младших братьев - флешек. Зная эти особенности, можно выжать из любой системы максимум и оптимизировать ее использование для конкретных задач.

Выбирать тип и параметры файловой системы приходится всякий раз, когда надо сделать что-то нетривиальное. Например, требуется ускорить наиболее частые файловые операции. На уровне файловой системы этого можно достичь разными способами: индексирование обеспечит быстрый поиск, а предварительное резервирование свободных блоков позволит упростить перезапись часто изменяющихся файлов. Предварительная оптимизация данных в оперативной памяти снизит количество требуемых операций ввода-вывода.

Увеличить срок безотказной эксплуатации помогают такие свойства современных файловых систем, как отложенная запись, дедупликация и другие продвинутые алгоритмы. Особенно актуальны они для дешевых SSD с чипами памяти TLC, флешек и карт памяти.

Отдельные оптимизации существуют для дисковых массивов разных уровней: например, файловая система может поддерживать упрощенное зеркалирование тома, мгновенное создание снимков или динамическое масштабирование без отключения тома.

Черный ящик

Пользователи в основном работают с той файловой системой, которая предлагается по умолчанию операционной системой. Они редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках - просто используют рекомендованные параметры или вообще покупают предварительно отформатированные носители.

У поклонников Windows все просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или та же NTFS) на флешках. Если же стоит NAS и в нем используется какая-то другая файловая система, то для большинства это остается за гранью восприятия. К нему просто подключаются по сети и качают файлы, как из черного ящика.

На мобильных гаджетах с Android чаще всего встречается ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Яблочникам же и вовсе без разницы, что у них за файловая система: HFS+, HFSX, APFS, WTFS... для них существуют только красивые значки папок и файлов, нарисованные лучшими дизайнерами. Богаче всего выбор у линуксоидов, но прикрутить поддержку неродных для операционки файловых систем можно и в Windows, и в macOS - об этом чуть позже.

Общие корни

Различных файловых систем создано свыше сотни, но актуальными можно назвать чуть больше десятка. Хотя все они разрабатывались для своих специфических применений, многие в итоге оказались родственными на концептуальном уровне. Они похожи, поскольку используют однотипную структуру представления (мета)данных - B-деревья («би-деревья»).

Как и любая иерархическая система, B-дерево начинается с корневой записи и далее ветвится вплоть до конечных элементов - отдельных записей о файлах и их атрибутах, или «листьев». Основной смысл создания такой логической структуры был в том, чтобы ускорить поиск объектов файловой системы на больших динамических массивах - вроде жестких дисков объемом в несколько терабайт или еще более внушительных RAID-массивов.

B-деревья требуют гораздо меньше обращений к диску, чем другие типы сбалансированных деревьев, при выполнении тех же операций. Достигается это за счет того, что конечные объекты в B-деревьях иерархически расположены на одной высоте, а скорость всех операций как раз пропорциональна высоте дерева.

Как и другие сбалансированные деревья, B-trees имеют одинаковую длину путей от корня до любого листа. Вместо роста ввысь они сильнее ветвятся и больше растут в ширину: все точки ветвления у B-дерева хранят множество ссылок на дочерние объекты, благодаря чему их легко отыскать за меньшее число обращений. Большое число указателей снижает количество самых длительных дисковых операций - позиционирования головок при чтении произвольных блоков.

Концепция B-деревьев была сформулирована еще в семидесятых годах и с тех пор подвергалась различным улучшениям. В том или ином виде она реализована в NTFS, BFS, XFS, JFS, ReiserFS и множестве СУБД. Все они - родственники с точки зрения базовых принципов организации данных. Отличия касаются деталей, зачастую довольно важных. Недостаток у родственных файловых систем тоже общий: все они создавались для работы именно с дисками еще до появления SSD.

Флеш-память как двигатель прогресса

Твердотельные накопители постепенно вытесняют дисковые, но пока вынуждены использовать чуждые им файловые системы, переданные по наследству. Они построены на массивах флеш-памяти, принципы работы которой отличаются от таковых у дисковых устройств. В частности, флеш-память должна стираться перед записью, а эта операция в чипах NAND не может выполняться на уровне отдельных ячеек. Она возможна только для крупных блоков целиком.

Связано это ограничение с тем, что в NAND-памяти все ячейки объединены в блоки, каждый из которых имеет только одно общее подключение к управляющей шине. Не будем вдаваться в детали страничной организации и расписывать полную иерархию. Важен сам принцип групповых операций с ячейками и тот факт, что размеры блоков флеш-памяти обычно больше, чем блоки, адресуемые в любой файловой системе. Поэтому все адреса и команды для накопителей с NAND flash надо транслировать через слой абстрагирования FTL (Flash Translation Layer).

Совместимость с логикой дисковых устройств и поддержку команд их нативных интерфейсов обеспечивают контроллеры флеш-памяти. Обычно FTL реализуется именно в их прошивке, но может (частично) выполняться и на хосте - например, компания Plextor пишет для своих SSD драйверы, ускоряющие запись.

Совсем без FTL не обойтись, поскольку даже запись одного бита в конкретную ячейку приводит к запуску целой серии операций: контроллер отыскивает блок, содержащий нужную ячейку; блок считывается полностью, записывается в кеш или на свободное место, затем стирается целиком, после чего перезаписывается обратно уже с необходимыми изменениями.

Такой подход напоминает армейские будни: чтобы отдать приказ одному солдату, сержант делает общее построение, вызывает бедолагу из строя и командует остальным разойтись. В редкой ныне NOR-памяти организация была спецназовская: каждая ячейка управлялась независимо (у каждого транзистора был индивидуальный контакт).

Задач у контроллеров все прибавляется, поскольку с каждым поколением флеш-памяти техпроцесс ее изготовления уменьшается ради повышения плотности и удешевления стоимости хранения данных. Вместе с технологическими нормами уменьшается и расчетный срок эксплуатации чипов.

Модули с одноуровневыми ячейками SLC имели заявленный ресурс в 100 тысяч циклов перезаписи и даже больше. Многие из них до сих пор работают в старых флешках и карточках CF. У MLC корпоративного класса (eMLC) ресурс заявлялся в пределах от 10 до 20 тысяч, в то время как у обычной MLC потребительского уровня он оценивается в 3–5 тысяч. Память этого типа активно теснит еще более дешевая TLC, у которой ресурс едва дотягивает до тысячи циклов. Удерживать срок жизни флеш-памяти на приемлемом уровне приходится за счет программных ухищрений, и новые файловые системы становятся одним из них.

Изначально производители предполагали, что файловая система неважна. Контроллер сам должен обслуживать недолговечный массив ячеек памяти любого типа, распределяя между ними нагрузку оптимальным образом. Для драйвера файловой системы он имитирует обычный диск, а сам выполняет низкоуровневые оптимизации при любом обращении. Однако на практике оптимизация у разных устройств разнится от волшебной до фиктивной.

В корпоративных SSD встроенный контроллер - это маленький компьютер. У него есть огромный буфер памяти (полгига и больше), и он поддерживает множество методов повышения эффективности работы с данными, что позволяет избегать лишних циклов перезаписи. Чип упорядочивает все блоки в кеше, выполняет отложенную запись, производит дедупликацию на лету, резервирует одни блоки и очищает в фоне другие. Все это волшебство происходит абсолютно незаметно для ОС, программ и пользователя. С таким SSD действительно непринципиально, какая файловая система используется. Внутренние оптимизации оказывают гораздо большее влияние на производительность и ресурс, чем внешние.

В бюджетные SSD (и тем более - флешки) ставят куда менее умные контроллеры. Кеш в них урезан или отсутствует, а продвинутые серверные технологии не применяются вовсе. В картах памяти контроллеры настолько примитивные, что часто утверждается, будто их нет вовсе. Поэтому для дешевых устройств с флеш-памятью остаются актуальными внешние методы балансировки нагрузки - в первую очередь при помощи специализированных файловых систем.

От JFFS к F2FS

Одной из первых попыток написать файловую систему, которая бы учитывала принципы организации флеш-памяти, была JFFS - Journaling Flash File System. Изначально эта разработка шведской фирмы Axis Communications была ориентирована на повышение эффективности памяти сетевых устройств, которые Axis выпускала в девяностых. Первая версия JFFS поддерживала только NOR-память, но уже во второй версии подружилась с NAND.

Сейчас JFFS2 имеет ограниченное применение. В основном она все так же используется в дистрибутивах Linux для встраиваемых систем. Ее можно найти в маршрутизаторах, IP-камерах, NAS и прочих завсегдатаях интернета вещей. В общем, везде, где требуется небольшой объем надежной памяти.

Дальнейшей попыткой развития JFFS2 стала LogFS, у которой индексные дескрипторы хранились в отдельном файле. Авторы этой идеи - сотрудник немецкого подразделения IBM Йорн Энгель и преподаватель Оснабрюкского университета Роберт Мертенс. Исходный код LogFS выложен на GitHub . Судя по тому, что последнее изменение в нем было сделано четыре года назад, LogFS так и не обрела популярность.

Зато эти попытки подстегнули появление другой специализированной файловой системы - F2FS. Ее разработали в корпорации Samsung, на долю которой приходится немалая часть производимой в мире флеш-памяти. В Samsung делают чипы NAND Flash для собственных устройств и по заказу других компаний, а также разрабатывают SSD с принципиально новыми интерфейсами вместо унаследованных дисковых. Создание специализированной файловой системы с оптимизацией для флеш-памяти было с точки зрения Samsung давно назревшей необходимостью.

Четыре года назад, в 2012 году, в Samsung создали F2FS (Flash Friendly File System). Ее идея хороша, но реализация оказалась сыроватой. Ключевая задача при создании F2FS была проста: снизить число операций перезаписи ячеек и распределить нагрузку на них максимально равномерно. Для этого требуется выполнять операции с несколькими ячейками в пределах того же блока одновременно, а не насиловать их по одной. Значит, нужна не мгновенная перезапись имеющихся блоков по первому запросу ОС, а кеширование команд и данных, дозапись новых блоков на свободное место и отложенное стирание ячеек.

Сегодня поддержка F2FS уже официально реализована в Linux (а значит, и в Android), но особых преимуществ на практике она пока не дает. Основная особенность этой файловой системы (отложенная перезапись) привела к преждевременным выводам о ее эффективности. Старый трюк с кешированием даже одурачивал ранние версии бенчмарков, где F2FS демонстрировала мнимое преимущество не на несколько процентов (как ожидалось) и даже не в разы, а на порядки. Просто драйвер F2FS рапортовал о выполнении операции, которую контроллер только планировал сделать. Впрочем, если реальный прирост производительности у F2FS и невелик, то износ ячеек определенно будет меньше, чем при использовании той же ext4. Те оптимизации, которые не сможет сделать дешевый контроллер, будут выполнены на уровне самой файловой системы.

Экстенты и битовые карты

Пока F2FS воспринимается как экзотика для гиков. Даже в собственных смартфонах Samsung все еще применяется ext4. Многие считают ее дальнейшим развитием ext3, но это не совсем так. Речь идет скорее о революции, чем о преодолении барьера в 2 Тбайт на файл и простом увеличении других количественных показателей.

Когда компьютеры были большими, а файлы - маленькими, адресация не представляла сложностей. Каждому файлу выделялось энное количество блоков, адреса которых заносились в таблицу соответствия. Так работала и файловая система ext3, остающаяся в строю до сих пор. А вот в ext4 появился принципиально другой способ адресации - экстенты.

Экстенты можно представить как расширения индексных дескрипторов в виде обособленных наборов блоков, которые адресуются целиком как непрерывные последовательности. Один экстент может содержать целый файл среднего размера, а для крупных файлов достаточно выделить десяток-другой экстентов. Это куда эффективнее, чем адресовать сотни тысяч мелких блоков по четыре килобайта.

Поменялся в ext4 и сам механизм записи. Теперь распределение блоков происходит сразу за один запрос. И не заранее, а непосредственно перед записью данных на диск. Отложенное многоблочное распределение позволяет избавиться от лишних операций, которыми грешила ext3: в ней блоки для нового файла выделялись сразу, даже если он целиком умещался в кеше и планировался к удалению как временный.

Диета с ограничением FAT

Помимо сбалансированных деревьев и их модификаций, есть и другие популярные логические структуры. Существуют файловые системы с принципиально другим типом организации - например, линейным. Как минимум одной из них ты наверняка часто пользуешься.

Загадка

Отгадай загадку: в двенадцать она начала полнеть, к шестнадцати была глуповатой толстушкой, а к тридцати двум стала жирной, так и оставшись простушкой. Кто она?

Правильно, это история про файловую систему FAT. Требования совместимости обеспечили ей дурную наследственность. На дискетах она была 12-разрядной, на жестких дисках - поначалу 16-битной, а до наших дней дошла уже как 32-разрядная. В каждой следующей версии увеличивалось число адресуемых блоков, но в самой сути ничего не менялось.

Популярная до сих пор файловая система FAT32 появилась аж двадцать лет назад. Сегодня она все так же примитивна и не поддерживает ни списки управления доступом, ни дисковые квоты, ни фоновое сжатие, ни другие современные технологии оптимизации работы с данными.

Зачем же FAT32 нужна в наши дни? Все так же исключительно для обеспечения совместимости. Производители справедливо полагают, что раздел с FAT32 сможет прочитать любая ОС. Поэтому именно его они создают на внешних жестких дисках, USB Flash и картах памяти.

Как освободить флеш-память смартфона

Карточки microSD(HC), используемые в смартфонах, по умолчанию отформатированы в FAT32. Это основное препятствие для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы его преодолеть, нужно создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), поэтому любое приложение сможет работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела, но для этого можно запустить Linux (хотя бы в виртуалке) или продвинутую утилиту для работы с логической разметкой - например, MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов, чем в случае с одним разделом FAT32.

Как еще один аргумент в пользу выбора FAT32 часто называют отсутствие в ней журналирования, а значит, более быстрые операции записи и меньший износ ячеек памяти NAND Flash. На практике же использование FAT32 приводит к обратному и порождает множество других проблем.

Флешки и карты памяти как раз быстро умирают из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов, где расположены две цепочки файловых таблиц. Сохранил веб-страничку целиком, и она перезаписалась раз сто - с каждым добавлением на флешку очередной мелкой гифки. Запустил портейбл-софт? Он насоздавал временных файлов и постоянно меняет их во время работы. Поэтому гораздо лучше использовать на флешках NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Мелкие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а ее расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Вдобавок благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее.

INFO

Для FAT32 и NTFS теоретические ограничения по уровню вложенности не указаны, но на практике они одинаковые: в каталоге первого уровня можно создать только 7707 подкаталогов. Любители поиграть в матрешки оценят.

Другая проблема, с которой сталкивается большинство пользователей, - на раздел с FAT32 невозможно записать файл больше 4 Гбайт. Причина заключается в том, что в FAT32 размер файла описывается 32 битами в таблице размещения файлов, а 2^32 (минус единица, если быть точным) как раз дают четыре гига. Получается, что на свежекупленную флешку нельзя записать ни фильм в нормальном качестве, ни образ DVD.

Копирование больших файлов еще полбеды: при попытке сделать это ошибка хотя бы видна сразу. В других ситуациях FAT32 выступает в роли бомбы замедленного действия. Например, ты скопировал на флешку портейбл-софт и на первых порах пользуешься им без проблем. Спустя длительное время у одной из программ (допустим, бухгалтерской или почтовой) база данных раздувается, и... она просто перестает обновляться. Файл не может быть перезаписан, поскольку достиг лимита в 4 Гбайт.

Менее очевидная проблема заключается в том, что в FAT32 дата создания файла или каталога может быть задана с точностью до двух секунд. Этого недостаточно для многих криптографических приложений, использующих временные метки. Низкая точность атрибута «дата» - еще одна причина того, почему FAT32 не рассматривается как полноценная файловая система с точки зрения безопасности. Однако ее слабые стороны можно использовать и в своих целях. Например, если скопировать на том FAT32 любые файлы с раздела NTFS, то они очистятся от всех метаданных, а также унаследованных и специально заданных разрешений. FAT просто не поддерживает их.

exFAT

В отличие от FAT12/16/32, exFAT разрабатывалась специально для USB Flash и карт памяти большого (≥ 32 Гбайт) объема. Extended FAT устраняет упомянутый выше недостаток FAT32 - перезаписывание одних и тех же секторов при любом изменении. Как у 64-разрядной системы, у нее нет практически значимых лимитов на размер одного файла. Теоретически он может иметь длину в 2^64 байт (16 Эбайт), а карточки такого объема появятся нескоро.

Еще одно принципиальное отличие exFAT - поддержка списков контроля доступа (ACL). Это уже не та простушка из девяностых, однако внедрению exFAT мешает закрытость формата. Поддержка exFAT полноценно и легально реализована только в Windows (начиная с XP SP2) и OS X (начиная с 10.6.5). В Linux и *BSD она поддерживается либо с ограничениями, либо не вполне законно. Microsoft требует лицензировать использование exFAT, и в этой области много правовых споров.

Btrfs

Еще один яркий представитель файловых систем на основе B-деревьев называется Btrfs. Эта ФС появилась в 2007 году и изначально создавалась в Oracle с прицелом на работу с SSD и RAID. Например, ее можно динамически масштабировать: создавать новые индексные дескрипторы прямо в работающей системе или разделять том на подтома без выделения им свободного места.

Реализованный в Btrfs механизм копирования при записи и полная интеграция с модулем ядра Device mapper позволяют делать практически мгновенные снапшоты через виртуальные блочные устройства. Предварительное сжатие данных (zlib или lzo) и дедупликация ускоряют основные операции, заодно продлевая время жизни флеш-памяти. Особенно это заметно при работе с базами данных (достигается сжатие в 2–4 раза) и мелкими файлами (они записываются упорядоченно крупными блоками и могут храниться непосредственно в «листьях»).

Также Btrfs поддерживает режим полного журналирования (данных и метаданных), проверку тома без размонтирования и множество других современных фич. Код Btrfs опубликован под лицензией GPL. Эта файловая система поддерживается в Linux как стабильная начиная с версии ядра 4.3.1.

Бортовые журналы

Практически все более-менее современные файловые системы (ext3/ext4, NTFS, HFSX, Btrfs и другие) относят к общей группе журналируемых, поскольку они ведут учет вносимых изменений в отдельном логе (журнале) и сверяются с ним в случае сбоя при выполнении дисковых операций. Однако степень подробности ведения журналов и отказоустойчивость у этих файловых систем разные.

Еxt3 поддерживает три режима ведения журнала: с обратной связью, упорядоченный и полное журналирование. Первый режим подразумевает запись только общих изменений (метаданных), выполняемую асинхронно по отношению к изменениям самих данных. Во втором режиме выполняется та же запись метаданных, но строго перед внесением любых изменений. Третий режим эквивалентен полному журналированию (изменений как в метаданных, так и в самих файлах).

Целостность данных обеспечивает только последний вариант. Остальные два лишь ускоряют выявление ошибок в ходе проверки и гарантируют восстановление целостности самой файловой системы, но не содержимого файлов.

Журналирование в NTFS похоже на второй режим ведения лога в ext3. В журнал записываются только изменения в метаданных, а сами данные в случае сбоя могут быть утеряны. Такой метод ведения журнала в NTFS задумывался не как способ достижения максимальной надежности, а лишь как компромисс между быстродействием и отказоустойчивостью. Именно поэтому люди, привыкшие к работе с полностью журналируемыми системами, считают NTFS псевдожурналируемой.

Реализованный в NTFS подход в чем-то даже лучше используемого по умолчанию в ext3. В NTFS дополнительно периодически создаются контрольные точки, которые гарантируют выполнение всех отложенных ранее дисковых операций. Контрольные точки не имеют ничего общего с точками восстановления в \System Volume Infromation\ . Это просто служебные записи в логе.

Практика показывает, что такого частичного журналирования NTFS в большинстве случаев хватает для беспроблемной работы. Ведь даже при резком отключении питания дисковые устройства не обесточиваются мгновенно. Блок питания и многочисленные конденсаторы в самих накопителях обеспечивают как раз тот минимальный запас энергии, которого хватает на завершение текущей операции записи. Современным SSD при их быстродействии и экономичности такого же количества энергии обычно хватает и на выполнение отложенных операций. Попытка же перейти на полное журналирование снизила бы скорость большинства операций в разы.

Подключаем сторонние ФС в Windows

Использование файловых систем лимитировано их поддержкой на уровне ОС. Например, Windows не понимает ext2/3/4 и HFS+, а использовать их порой надо. Сделать это можно, добавив соответствующий драйвер.

WARNING

Большинство драйверов и плагинов для поддержки сторонних файловых систем имеют свои ограничения и не всегда работают стабильно. Они могут конфликтовать с другими драйверами, антивирусами и программами виртуализации.

Открытый драйвер для чтения и записи на разделы ext2/3 с частичной поддержкой ext4. В последней версии поддерживаются экстенты и разделы объемом до 16 Тбайт. Не поддерживаются LVM, списки контроля доступа и расширенные атрибуты.

Существует бесплатный плагин для Total Commander. Поддерживает чтение разделов ext2/3/4.

coLinux - открытый и бесплатный порт ядра Linux. Вместе с 32-битным драйвером он позволяет запускать Linux в среде Windows с 2000 по 7 без использования технологий виртуализации. Поддерживает только 32-битные версии. Разработка 64-битной модификации была отменена. сoLinux позволяет в том числе организовать из Windows доступ к разделам ext2/3/4. Поддержка проекта приостановлена в 2014 году.

Возможно, в Windows 10 уже есть встроенная поддержка характерных для Linux файловых систем, просто она скрыта. На эти мысли наводит драйвер уровня ядра Lxcore.sys и сервис LxssManager, который загружается как библиотека процессом Svchost.exe. Подробнее об этом смотри в докладе Алекса Ионеску «Ядро Линукс, скрытое внутри Windows 10», с которым он выступил на Black Hat 2016.

ExtFS for Windows - платный драйвер, выпускаемый компанией Paragon. Он работает в Windows с 7 по 10, поддерживает доступ к томам ext2/3/4 в режиме чтения и записи. Обеспечивает почти полную поддержку ext4 в Windows.

HFS+ for Windows 10 - еще один проприетарный драйвер производства Paragon Software. Несмотря на название, работает во всех версиях Windows начиная с XP. Предоставляет полный доступ к файловым системам HFS+/HFSX на дисках с любой разметкой (MBR/GPT).

WinBtrfs - ранняя разработка драйвера Btrfs для Windows. Уже в версии 0.6 поддерживает доступ к томам Btrfs как на чтение, так и на запись. Умеет обрабатывать жесткие и символьные ссылки, поддерживает альтернативные потоки данных, ACL, два вида компрессии и режим асинхронного чтения/записи. Пока WinBtrfs не умеет использовать mkfs.btrfs, btrfs-balance и другие утилиты для обслуживания этой файловой системы.

Возможности и ограничения файловых систем: сводная таблица

Фай-ло-вая сис-те-ма	Мак-си-маль-ный раз-мер тома	Пре-дель-ный раз-мер одного файла	Дли-на собст-вен-ного имени файла	Дли-на пол-но-го имени файла (вклю-чая путь от корня)	Пре-дель-ное число файлов и/или ката-ло-гов	Точ-ность ука-за-ния даты файла/ката-ло-га	Права дос-ту-па	Жёсткие ссылки	Сим-воль-ные ссылки	Мгно-вен-ные снимки (snap-shots)	Сжа-тие дан-ных в фоне	Шиф-ро-ва-ние дан-ных в фоне	Деду-пли-ка-ция дан-ных
FAT16	2 ГБ секторами по 512 байт или 4 ГБ кластерами по 64 КБ	2 ГБ	255 байт с LFN	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
FAT32	8 ТБ секторами по 2 КБ	4 ГБ (2^32 - 1 байт)	255 байт с LFN	до 32 подкаталогов с CDS	65460	10 мс (создание) / 2 с (изменение)	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
exFAT	≈ 128 ПБ (2^32-1 кластеров по 2^25-1 байт) теоретически / 512 ТБ из-за сторонних ограничений	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)			2796202 в каталоге	10 мс	ACL	нет	нет	нет	нет	нет	нет
NTFS	256 ТБ кластерами по 64 КБ или 16 ТБ кластерами по 4 КБ	16 ТБ (Win 7) / 256 ТБ (Win 8)	255 символов Unicode (UTF-16)	32760 символов Unicode, но не более 255 символов в каждом элементе	2^32-1	100 нс	ACL	да	да	да	да	да	да
HFS+	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^32-1	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	да	да	нет
APFS	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^63	1 нс	Unix, ACL	да	да	да	да	да	да
Ext3	32 ТБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	2 ТБ (теоретически) / 16 ГБ у старых программ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	-	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	нет	нет	нет
Ext4	1 ЭБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	16 ТБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	4 млрд.	1 нс	POSIX	да	да	нет	нет	да	нет
F2FS	16 ТБ	3,94 ТБ	255 байт	отдельно не ограничивается	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	нет	нет	да	нет
BTRFS	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)	16 ЭБ	255 символов ASCII	2^17 байт	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	да	да	да	да

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенными являются персональные компьютеры (ПК) на базе процессора Pentium. На большинстве этих ПК устанавливается операционная система (ОС) Windows 95 или Windows 98 (Windows 9x или просто Windows). Windows является фактически стандартом для 32-разрядных персональных компьютеров. К настоящему времени разработано уже несколько версий системы.

Операционная система (ОС)- это комплекс программ, обеспечивающих управление аппаратурой ЭВМ, планирование эффективного использования ее ресурсов и решение задач по заданиям пользователей. ОС загружается в компьютер при его включении.

Отличительными чертами современных операционных систем, в том числе Windows 9x, являются:

Развитый пользовательский интерфейс, то есть средства и методы взаимодействия с пользователем;

Многозадачность – способность обеспечивать выполнение нескольких программ «одновременно»;

Использование всех возможностей, предоставляемых современными микропроцессорами;

Устойчивость в работе и защищенность.

Windows 9x является преемницей и результатом слияния двух систем Windows 3.1x и MS-DOS. Разработчикам пришлось принять ряд компромиссов для обеспечения ее совместимости с названными системами:

Windows 9x начинает функционирование в реальном режиме, и лишь затем переходит в защищенный режим;

В основе Windows 9x лежит обновленная MS-DOS;

В Windows 9x имеется достаточное количество 16 – разрядных компонентов (модулей и драйверов устройств).

В основе ОС Windows 9x лежит объектно-ориентированный подход. Объектами являются документы, приложения, папки, файлы, ярлыки, диски и т. д. Открытие объекта –одно из основных понятий в системе. Выполняемые при этом действия зависят от разновидности объекта:

- открытие документа заключается в запуске подходящего приложения и загрузке документа в это приложение, чтобы обеспечить возможность его просмотра, редактирования и печати. Вместо открытия и загрузки документа можно говорить об открытии и загрузке файла с документом, поскольку все документы хранятся в файлах;

- открытие приложения - запуск его в работу;

- открытие папки состоит в отображении на экране ее содержимого, что позволяет осуществить любые действия с находящимися в ней объектами;

- открытие устройства ввода – вывода позволяет попасть в среду диспетчера, обеспечивающего управление этим устройством;

- открытие ярлыка во многих случаях равносильно открытию того объекта, для которого он создан.

При обработке документа можно использовать как процедурный, так и объектно-ориентированный подход. В первом случае необходимо знать, каким приложением следует обрабатывать документ. В другом случае при двойном щелчке на документе или созданном для него ярлыке запускается проассоциированное с ним приложение. Если Windows «не знает», какое приложение должно обрабатывать данный документ, предложит связать документ с определенным приложением.

КОМПОНЕНТЫ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ

Работа на ПК происходит с различного рода данными. Под данными понимается все, что подлежит хранению (программы в исходном или машинном коде, данные для ее работы, любые текстовые документы и числовые данные, закодированная табличная, графическая и другая информация).

Файл - это поименованная совокупность однородной информации на внешнем носителе (например, на магнитном диске).

В имени файла (ОС Windows 9x) могут использоваться почти все печатаемые символы, но имеется ряд ограничений:

В начале и в конце имени файла не может быть пробелов (их можно задать, но они будут игнорироваться);

Имя файла не может начинаться с точки и ею заканчиваться;

В имени файла нельзя применять следующие символы: /, \, :, ?, ’’, <, >, |, так как они зарезервированы для других целей;

Длина имени файла не должна превышать (в общем случае) 255 символов.

Такие имена называются длинными. Например, Лабораторная работа №1 по дисциплине операционные системы.

Для каждого файла Windows 9x автоматически генерирует короткое имя, которое формируется, исходя из требований ОС MS-DOS, и используется для обеспечения совместимости операционных систем. Оно содержит не более 8 символов. Кроме символов, запрещенных в длинных именах, не допускается использовать символы;, +, [, ], =, «точка», «запятая», «пробел». Короткое имя начинается, как и длинное, далее следует символ ~ и порядковый номер (всего не более 8 символов). При этом запрещенные символы опускаются, строчные буквы перекодируются в прописные. Например, PRIMER~1 может соответствовать длинному имени файла, начинающемуся буквами Primer. Если есть еще такой файл, то его короткое имя будет PRIMER~2.

Запрещенными являются имена, зарезервированные для устройств ввода-вывода: PRN (принтер), CON (консоль, т.е. клавиатура и монитор), NUL (фиктивное устройство), LPT1 –LPT3 (первый – третий параллельный порт), COM1 – COM3 (первый – третий последовательный порт). Символами латинского алфавита A:, B:, C:, D: и т.д. именуются внешние запоминающие устройства.

Если в имени файла присутствует хоть одна точка, то считается, что оно снабжено расширением, в соответствии с характером хранимой информации. Расширением имени файла является последовательность символов, находящаяся после последней заданной в имени точки. Точка рассматривается как разделитель имени и расширения. Задание расширения осуществляет либо сам пользователь, либо программа, порождающая файл. Лучше использовать стандартные 1 – 3х символьные расширения, так как становится понятным тип файла, например:

ВАТ для командных файлов;

DOC для файлов, содержащих различные документы в формате редактора Microsoft Word;

PAS для программ, написанных на языке PASCAL; -

PCX для файлов с иллюстрацией в формате растрового графического редактора Publishers Paintbrush;

ВАК для файлов с предыдущей версией документа (резервные файлы);

ЕХЕ для файлов, с готовой к выполнению программой

СОМ для файлов, с готовой к выполнению программой только в среде MS-DOS.

В настоящее время для программ, готовых к выполнению под управлением операционной системы, используют термин приложение (application), например, Windows - приложение

Пример файла: COMMAND.COM, COMMAND - имя файла, СОМ – расширение.

Кроме длинного и короткого имен с каждым файлом связывается ряд свойств. К числу свойств файлов относятся:

Атрибуты файла;

Дата и время его создания;

Дата и время модификации файла;

Дата последнего доступа к файлу (по чтению или записи);

Длина, или размер файла (в байтах).

Атрибуты файла определяют способы его использования и права доступа к нему. В Windows 9x атрибуты играют скорее информационную роль, чем защитную, как в среде MS-DOS. Файлу может быть приписана любая комбинация из перечисленных ниже атрибутов:

Read-Only [R] (Только чтение) - устанавливает защиту файла от записи, файл не может быть удален, перемещен или изменен без специальных мер;

Archive [A] (Архивный) - устанавливает для файла архивный статус, устанавливается автоматически при создании или модификации файла, снимается средствами архивирования или резервирования;

Hidden [H] (Скрытый) – скрытые файлы, если не предпринять специальных мер, в папках не показываются.

System [S] (Системный) – атрибут, которым снабжаются системные файлы.

С каждым файлом в среде Windows 9x связывается пиктограмма, которая соответствует типу файла. Пиктограмма – это маленькая иллюстрация, помогающая быстро идентифицировать объект, с которым она связана.

Часто для обозначения сразу нескольких файлов или для сокращения записи имен файлов используется шаблон имени файла. Шаблоном имени является имя, в котором употребляются символы - заменители "*" и "?". Позиция, в которой стоит знак "?" , может содержать любой символ. "*" означает,что ту позицию,в которой стоит "*", и все последующие могут занимать любые символы.

*.ТХТ - все файлы типа ТХТ;

А?.* - все файлы, имена которых начинаются с буквы А и состоят из одной или двух букв.

1.2. Папки (каталоги)

По мере роста задач число файлов на диске сильно возрастает и, даже при умело подобранных именах файлов, становится сложно следить за порядком на диске и ориентироваться в файлах. Группа файлов на одном носителе, объединяемых по какому-либо критерию, может храниться в папке (folders). В MS-DOS использовалось понятие каталог или директорий (directory). Аналогия между папками и каталогами не является полной. Каждый каталог можно считать папкой, но не каждой папке соответствует каталог на диске, а если и соответствует, то он может находиться в совершенно ином месте файловой структуры. Если в папке (каталоге) хранится имя файла, то говорят, что этот файл находится в данном каталоге. Каждая папка в Windows 9x имеет пиктограмму и имя также как и файл (но, как правило, без расширения).

(Любая) папка может быть зарегистрирована в другой папке. Поэтому файловая структура на дисках является иерархической многоуровневой или древовидной, в корне которой находится главная папка , или корневой каталог (ROOT DIRECTORY) На каждом диске имеется одна такая папка, которая обозначается символом " \ ". Корневой каталог создается при форматировании диска и не может быть ни переименован, ни удален. Следует заметить, что на гибких магнитных дисках папки создавать не принято.

Если одна папка непосредственно содержится в другой, то первая называется дочерней (подкаталог), а вторая – родительской (надкаталог) по отношению к первой папке. В MS-DOS для обозначения родительского каталога используется символ "..".

MS-DOS поддерживает концепцию текущего накопителя и текущих каталогов . Первоначально текущим является накопитель, с которого производилась загрузка системы, и соответственно каталог. Каталог, с которым в настоящий момент работает пользователь, называется текущим. Точно также определяется текущий накопитель. Текущий каталог текущего диска называется рабочим. Windows также поддерживает эту концепцию, но несколько иначе.Например, смена рабочей папки в приложениях происходит неявно – при открытии и сохранении документов.

Пример фрагмента файловой структуры на диске приведен на рис. 1.

Рис. 1

На рис.1 каталог Documents зарегистрирован в каталоге My folder, поэтому говорят, что Documents - подкаталог My folder, а My folder - надкаталог, или родительский каталог, для Documents.

С каждой папкой (но не главной), аналогично, как и с файлом, связывается ряд свойств. У папок устанавливается атрибут Directory (D), который отличает ее от файла, а также ассоциируется дата и время создания.

При разветвленной структуре файлов на диске недостаточно для нахождения файла указать только его имя (если не пользоваться высокоуровневыми средствами Windows). Необходимо указание маршрута (пути) к файлу. Маршрут - это последовательность из имен каталогов, разделенных символом "\", которая указывает маршрут от корневого (полныймаршрут) или текущего каталога диска к тому, в котором находится нужный файл. Таким образом, полное имя файла , или спецификация файла имеет следующий вид:

[диск:][полный_маршрут\]имя.тип.

В квадратных кавычках обозначаются необязательные параметры.

Если в полном имени используются символы, недопустимые для коротких имен (в среде MS-DOS), спецификацию необходимо заключать в кавычки.

Пример полного имени файла: A:\PROGRAM\PASCAL\LAB.PAS.

Например, к файлу DEMO.EXE, находящемуся в подкаталоге PROGRAM, можно обращаться:

DEMO.EXE, если текущим является каталог PROGRAM;

PROGRAM\DEMO.EXE, если текущий каталог корневой;

-..\demo.exe, если текущий каталог PASCAL.

1.3. Ярлыки

Средствами Windows 9x обеспечивается на дисках создание еще одного компонента файловой системы – ярлыков. Ярлык (shortcut) представляет собой файл, содержащий указатель (ссылку) на некоторый объект в дереве ресурсов – другой файл, папку или периферийное устройство. (Файловые структуры всех доступных дисков, а также некоторые устройства ввода – вывода объединяются в дерево ресурсов .) Одному объекту может соответствовать несколько ярлыков, находящихся в разных папках. При удалении ярлыка уничтожается только ссылка на объект, который при этом никак не изменяется. При двойном щелчке на ярлыке документа будет неявно запущено приложение, которое связано с этим документом, а сам документ загружен в него для обработки. Чаще всего ярлыки размещают на рабочем столе, чтобы облегчить доступ к постоянно используемым объектам. Именуется ярлык по тем же правилам, что и файл, но ему приписывается стандартное расширение LNK (от LiNK –связь). Пиктограмма ярлыка совпадает с пиктограммой объекта, для которого ярлык создан, но имеет загнутую стрелку в левом нижнем углу.

Если ярлык создается для приложения MS-DOS или командного файла, то вместо ярлыка формируется файл с расширением PIF. Этот файл в среде Windows 95 может рассматриваться как ярлык специального вида, ссылающийся на исполняемый файл для среды MS-DOS.

1.4. Рабочий стол

После загрузки системы Windows 9x на экране монитора показывается Рабочий стол (Desktop), (как считается) самая большая папка. Рабочий стол и сам является объектом системы, но в отличие от объектов, находящихся на нем, он не может быть перенесен или скопирован ни в один из них. На рабочем столе допускаются размещать любые объекты из дерева ресурсов, обычно на нем находятся только стандартные (системные) папки и ярлыки для тех объектов, доступ к которым осуществляется наиболее часто.

Стандартная (системная) папка – это папка, создаваемая и обслуживаемая самой Windows. Приведем некоторые из стандартных папок, размещенных на рабочем столе:

Папка Мой компьютер (My computer) – является образом компьютера и позволяет получить доступ к его ресурсам. Получив доступ к некоторому объекту, можно выполнить с ним требуемые операции или изменить его свойства;

Папка Корзина (Recycle Bin). В эту папку попадают удаляемые файлы и ярлыки, чтобы имелась возможность их при необходимости восстановить. Размер корзины регулируется.

Эти две папки являются обязательными, остальные – нет. Особенностями стандартных папок является (в большинстве) случаев невозможность их удалить, переименовать, обладание особыми свойствами, наличие специфических команд в контекстных меню. С точки зрения Windows рабочий стол – тоже стандартная (системная) папка.

Контрольные вопросы:

1. Что такое файл, имя и расширение файла, шаблон?

2. Какие файлы называются исполняемыми?

3. Что такое папка (каталог), подкаталог, корневой и родительский каталог?

4. Какие папки являются стандартными?

5. Дать определение спецификации, или полного имени файла.

6. Что такое ярлык?

КОМАНДЫ MS-DOS

Запуск команд производится из командной строки после получения приглашения к работе или из командного файла. Приглашение выдается, когда ОС готова к работе.

Формат команд MS-DOS:

команда [параметры] .

Параметры от команды отделяются пробелами. Если пользователь не включает никаких параметров и ключей в команды, система предусматривает их значения по умолчанию. Ключ /? Выдает справку по команде. Прервать выполнение команды или программы можно нажатием клавиш ; приостановить вывод информации на экран - , продолжить - нажатием любой клавиши.

Существуют два типа команд MS-DOS: встроенные (внутренние) и загружаемые (внешние). Встроенные команды - простейшие, наиболее часто употребляемые, являющиеся составной частью командного процессора сommand.com и в каталоге не отображаются. (Например, DIR, COPY, DEL и другие.) К загружаемым командам относятся остальные команды, постоянно хранящиеся в файлах на диске (например, FORMAT).Прежде чем запустить на выполнение эти команды, необходимо убедиться в их наличии на диске. Рассмотрим некоторые команды MS-DOS.

3.1 Для смены текущего дисковода надо набрать имя дисковода, который должен стать текущим, затем символ ":" .

Например,

команда осуществляет переход с диска A: на диск С:.

3.2 Изменение текущего каталога

CD (CHDIR) [дисковод:] путь

Например,

CD PROGRAM - переход в подкаталог PROGRAM;

CD.. - переход в родительский каталог.

3.3 Вывод файла на экран.

TYPE [дисковод:][маршрут\]имя.тип.

Например,

TYPE \PROGRAM\PASCAL\lab.txt ;

TYPE AUTOEXEC.BAT .

2.4 Удаление файла или группы файлов

DEL [дисковод:][маршрут\]имя.тип.

В этой команде допускается использование шаблона.

Например,

DEL*.* - удаление всех файлов текущего каталога.

2.5 Просмотр каталога

DIR [дисковод:][маршрут\][имя.тип] .

Для каждого файла команда сообщает его имя, тип, размер файла в байтах, дату создания и время создания или последнего обновления файла. В конце сообщается о размере свободного пространства. Ключ ""/P "" останавливает ввод содержимого каталога по мере заполнения экрана, для продолжения ввода нажать любую клавишу. При использовании ключа " /W " на экран выводятся только имена файлов (и расширения) по 5 в строку.

2.6 Создание подкаталога

MD (MKDIR) [дисковод:] путь

2.7 Удаление подкаталога

RD (RMDIR) [дисковод:] путь

Этой командой может быть удален любой подкаталог, но при этом он не должен содержать ни файлов, ни других подкаталогов (для предотвращения потери файлов из-за случайного стирания). Естественно не могут быть уничтожены текущий подкаталог и главный каталог.

2.8 Переименование файлов

REN[диск:][ маршрут\]старое_имя новое_имя.

Эта команда позволяет изменить имя соответствующего файла без изменения его содержимого. Команда допускает использование шаблона.

2.9 Очистка экрана

2.10 Вывод версии операционной системы

При вводе этой команды на экране появляется номер версии операционной системы, который зависит от года создания версии. Знание версии необходимо, так как средства год от года наращиваются и команды и программы, написанные для более поздних версий, не будут работать вообще или выполняться по-другому.

2.11 Установка текущего времени

TIME [чч:mm:cc:дд]

Этой командой устанавливается текущее время при загрузке MS-DOS или в любой другой момент работы на машине. При запуске команды без параметров выдается текущее время и запрашивается новое, нажав на клавишу , можно согласиться с текущим временем.

2.12 Установка текущей даты

DATE [мм:дд:гг]

Команда устанавливает текущую дату аналогично команде TIME по установлению текущего времени.

2.13 Просмотр дерева подкаталогов

По этой команде на экран дисплея выводится логический список всех подкаталогов на активном диске. При добавлении ключа F можно получить и список файлов, содержащихся в этих подкаталогах.

2.14 Копирование отдельных файлов

Команда COPY позволяет копировать файлы с диска на диск, осуществлять обмен данными между периферийными устройствами и объединять данные в процессе копирования.

COPY [диск:][маршрут\]исф[диск:][ маршрут \][инф] ,

где исф - имя старого файла с расширением, инф - имя нового файла с расширением. Ключ /V позволяет производить копирование с проверкой правильности копирования. В этой команде допускается использование шаблона.

При использовании команды COPY для обмена информацией между периферийными устройствами вместо имен файлов подставляют в команду специальные имена CON, PRN, NIL и др., которые имеют следующие значения:

CON - консоль: клавиатура для ввода данных, видеодисплей для вывода результатов и контроля диалога;

PRN -основной принтер, связанный с вашей системой;

NUL -псевдоустройство (несуществующее) для тестирования программ.

Команда COPY позволяет объединить несколько файлов в один знаком "+". При таком объединении (конкатенации) исходные файлы не меняются, а в новый файл будут записаны текущее время и дата.

1) COPY PASCAL\*.PAS B: ,

происходит копирование всех файлов с типом PAS из подкаталога PASCAL на диск В:

2) COPY FILE.EXT PRN ,

вывод файла FILE.EXT на печать.

3) COPY CON FILE.EXT ,

ввод данных с клавиатуры в файл FILE.EXT, при этом конец файла порождает комбинация клавиш (создание файла в MS-DOS).

4) COPY FILE1.EXT+FILE2.EXT+FILE3.EXT BOOK.EXT ,

объединение нескольких файлов в один BOOK.EXT.

2.15 Защита файлов от записи

ATTRIB [+R ¦ -R] [+A ¦-A] [ диск:][маршрут\]имя_файла.

R - устанавливает защиту файла от записи;

R - отменяет защиту файла от записи;

A - устанавливает для файла архивный статус;

A - отменяет для файла архивный статус;

ATTRIB +R FILE.EXT - нельзя записывать информацию в этот файл;

ATTRIB FILE.EXT -делается запрос о возможности записи данных в FILE.EXT. Ответ операционной системы:

R_A:\FILE.EXT , т.е. файл недоступен для записи.

2.16. Переадресация данных:

> - переадресовать выходные данные. Данные, которые всегда выводятся на экран, перенаправляются на периферийное устройство или дисковый файл. В последнем случае файл при необходимости создаётся. Если файл существует, то старые данные замещаются на новые.

TYPE FILE.TXT > PRN

ECHO Завтра собрание группы > PRN

>> - выходные данные также перенаправляются, но если файл уже существует, то данные добавляются к старым данным.

< - переадресовать входные данные. Данные будут приниматься не с клавиатуры, а с периферийного устройства или из дискового файла.

PROGRAM < FILE.TXT

Замечание: Программа, результаты выполнения которой мы хотим переадресовать, должна использовать стандартные функции ввода/вывода.

2.17. Организация конвейеров.

Можно выстроить команды или программы в цепочку так, что вывод на экран первой из них будет использован как ввод с клавиатуры для следующей A1|A2|A3.

ECHO Y | DEL *.* >NUL – автоматически ответит Y (Да) на запрос «Вы уверены…» при удалении всех элементов каталога.

Происходит по (конвейеру) | передача данных из одной программы в другую. Гораздо эффективнее использование | (конвейера) с командами фильтрами и переадресации.

2.18.Фильтры FIND, MORE, SORT.

а) Поиск указанных данных в дисковом файле (номер телефона, адрес, любая фраза):

FIND “фраза” [путь\] имя файла,

где /C – счётчик обнаружения, т.е. сколько раз обнаружена фраза, а сами строки не выводятся;

/N – выводится ещё и номер строки (кроме самой строки);

/V – выводятся все строки, не содержащие данную фразу.

FIND “группа” FILE.TXT – выводится строка из файла, содержащая слово “группа”.

DIR | FIND /V “COM” – выводятся на экран все файлы, кроме файлов с расширением COM.

FIND “car” AB.DAT, B.DAT, C.DAT – расходы на автомобиль.

б) Постраничный вывод на экран

MORE < FILE.TXT

TYPE FILE.EXT | MORE

в) Сортировка данных.

SORT (по умолчанию сортировка по 1 символу по алфавиту в порядке возрастания),

где /R - сортировка по убыванию;

/+n – начиная с колонки n, в строке будет происходить сортировка.

ввод информации с клавиатуры, Ù Z – признак конца вводимой информации.

Это желательно записать в файл, т.е. SORT < CON > FILE.TXT.

DIR | SORT – отсортированы элементы каталога по именам файлов (каталогов).

DIR | SORT /+10 > FILE.EXT -

список файлов будет упорядочен по расширениям (WINDOWS 9X).

Файл (от англ. file - папка) - это именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое.

Файловая система – это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов и (каталогов), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске,

наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

С точки зрения операционной системы (ОС), весь диск представляет собой набор кластеров (как правило, размером 512 байт и больше). Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;

программный интерфейс работы с файлами для приложений;

отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

21.2.1 Обзор файловой системы FAT

Файловая система построена на основе таблицы размещения файлов (File Allocation Table - FAT ).

Данные о месте записи файла на диске хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT -таблицах). Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора.

Цилиндр – это совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

Сектор – наименьшая физическая единица хранения данных. Размер сектора для DOS был равен 512 байт. Другие операционные системы устанавливают свои объемы секторов.

Поскольку размер FAT –таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры (блоки).

Кластер – наименьшая единица адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Секторы, не содержащие пользовательских данных (файлов), не отражены в FAT . К таким секторам относятся загрузочные секторы, таблицы размещения файлов и секторы корневого каталога.

Поскольку нарушение FAT –таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

При записи файла на диск, информация о нем записывается в корневой каталог. Этот раздел несет информацию о типе файлов, их названиях, размерах, дате создания. Кроме этого, для каждого файла в корневом каталоге есть номер кластера, с которого начинается файл. По этому номеру, система обращается в ячейку таблицы, в ней записывается адрес следующего кластера. И так далее, до тех пор, пока не будет описано расположение всего файла на диске. Запись закончится командой "стоп", то есть на этом кластере файл заканчивается.

Считывание происходит так же. Сначала считывается информация о файле, затем по указателю система переходит в таблицу и там, считывает остальные номера кластеров, которые занимает файл.

Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска. Файловая система ОС, реализующих 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов, называется FAT 16. Она позволяет разместить в FAT –таблицах не более 216 записей о местоположении единиц хранения данных и, соответственно, для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT 16 вообще работать не может.

Файловая система ОС, реализующих 32-разрядные поля в таблицах размещения файлов, называется FAT 32

Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов.

21.2.2 Обзор файловой системы NTFS

Файловая система NTFS (New Technology File Sistem ) была выпущена вместе с Windows NT 3.5 в 1993 году. По сравнению с FAT, NTFS обладает достоинствами: эффективность, надежность и совместимость. Файловая система NTFS применяется в операционной системе Windows NT/2000/XP/6/7.

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров – от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт.

При установке NTFS , диск разделяется на три неравные части: первая отводиться под MFT (Master File Table – общая таблица файлов), называется MFT –зоной и занимает порядка 12% от общего размера диска. MFT лежит в начале диска и занимает около 1 Кбайт, каждая запись в MFT соответствует какому-либо файлу. По своей сути это каталог всех файлов находящихся на диске. Любой элемент данных в NTFS рассматривается как файл, даже MFT.

MFT –зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT ) не фрагментировался при своем росте.

Вторую часть диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место – незаполненные куски MFT –зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT –зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT –зона просто сокращается (в текущих версиях ОС в два раза), освобождая, таким образом, место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона снова расширится.

Первые 16 файлов (метафайлы) в MFT – зоне являются особой кастой. В них содержится служебная информация, они имеют фиксированное положение и они недоступны даже операционной системе. Кстати, первым из этих 16 является сам MFT – файл.

Рисунок 21.1

Третья зона, в свою очередь, делит диск пополам. Существует копия первых трех записей в третьей зоне. Это сделано для надежности, в случае утери информации в MFT – файле, всегда можно восстановить информацию. Все остальные файлы в MFT – зоне могут располагаться произвольно.

Главный каталог диска на NTFS – корневой – ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT . Он представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT , который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога.

Каталог представляет собой бинарное дерево, т.е. в каталоге информация о данных на диске расположена таким образом, что при поиске какого-либо файла каталог разбивался на две части и ответ заключался в том, в какой именно части находиться искомое. Затем та же самая операция повторяется в выбранной половине. И так до тех пор, пока не будет найден нужный файл.

В NTFS используется шифрование данных. Таким образом, если пришлось по каким – либо причинам переустановить систему заново, то зашифрованные файлы без соответствующей санкции прочитать невозможно.

NTFS – отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция – действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний – действие либо совершено, либо отменено.

Система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не данных.