Способы логической организации файлов

Обновлено: 06.07.2024

Содержание

Общие понятия

Назначение файловой системы - обеспечение интерфейса к данным на накопителях. Цель - организация хранения и доступа.

Состав файловой системы

Совокупность файлов.
Набор структур данных управления (каталоги, дескрипторы, таблицы).
Функции управления (создание объекта ФС, уничтожение, чтение, запись).

Каждый файл характеризуется своим уникальным именем. Чтобы упростить имена используются разрешения.

Для FAT16 правило 8.3: имя файла может состоять из 12 символов (8 - основная часть, и 3 символа расширения).

При копировании в файловой системе файлов производится преобразование имен.

Путь в файловой системе - для однозначной идентификации объекта.

Типы файлов

Текстовые.
Двоичные.
Специальные (связанные с аппаратными устройствами).
Файлы, через которые описываются каталоги (директор).

Атрибуты файлов

Системные.
Архивные.
Только для чтения.
Скрытые.
Время создания
Временные

Типы иерархической структуры

Дерево: узлы - объекты файловой системы, показана их вложенность; корень - точка, в которой начинается файловая система.
Сеть: в отличие от дерева один объект может присутствовать в разных директориях.

С понятием файловые системы связаны следующие технологии:

Принципы организации файловых систем
Организация прав доступа в файловых системах
Общая модель файловой системы
Файлы, отображаемые в оперативную память
Поддержка нескольких файловых систем
Журнальные файловые системы

Принципы организации файловых систем

Логическая организация файла

Описывает то, как выглядит файл для работающих с ним приложений. Файл рассматривается как набор записей. Выделяют следующие подходы к хранению файлов:

Набор записей постоянной длины

Последовательное хранение логических записей фиксированного размера.

Набор записей переменной длины

Для любой записи тут в начале (конце) должна указываться длина.

Физическая организация файла

Описывает, как файл может размещаться на носителе. Выделяют следующие способы размещения:

Непрерывное размещение

Непрерывное размещение (подряд блок за блоком).

Достоинства:

простота реализации
скорость доступа (все данные подряд, поэтому не надо перемещать носитель головки).

фрагментация
место на носителе распределяется неэффективно.

Связанный список блоков

Пространство разбивается на нужные разделы. В каждый блок помещается ссылка на следующий. В последнем блоке стоит метка, что он последний. Уходим от фрагментации, но теряем в производительности. Также в каждом блоке часть места расходуется на указатели.

Связанный список индексов

Популярным способом, используемым, например, в файловой системе FAT операционной системы MS-DOS, является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент - индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска (в MS-DOS это таблица FAT). Если некоторый блок распределен некоторому файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа, но снимаются оба отмеченных недостатка: во-первых, для доступа к произвольному месту файла достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество блоков файла по цепочке и определить номер нужного блока, и, во-вторых, данные файла занимают блок целиком, а значит имеют объем, равный степени двойки.

Перечень номеров блоков

Для хранения адреса файла выделено 13 полей. Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых десяти полях адреса. Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11-е поле содержит адрес блока, в котором могут быть расположены еще 128 номеров следующих блоков файла. Если файл больше, чем 10+128 блоков, то используется 12-е поле, в котором находится номер блока, содержащего 128 номеров блоков, которые содержат по 128 номеров блоков данного файла. И, наконец, если файл больше 10+128+128*128, то используется последнее 13-е поле для тройной косвенной адресации, что позволяет задать адрес файла, имеющего размер максимум 10+ 128 + 128*128 + 128*128*128.

Общая организация файловой системы

ОС WINDOWS

В ОС Windows наиболее распространенной на сегодняшний день является файловая система NTFS, заменившая устаревшую файловую систему FAT. Именно файловую систему NTFS лучше всего использовать на сегодняшний день. Чтобы жесткий диск можно было использовать в компьютере, его необходимо подготовить, отформатировать в выбранную файловую систему. Программа форматирования создает на жестком диске компьютера структуру в соответствии с правилами файловой системы Windows после чего диск становится виден в операционной системе и его можно использовать. Форматирование жесткого диска осуществляется силами операционной системы или сторонней программы. При этом выбирается тип файловой системы жесткого диска, размер кластера и способ форматирования.

Кластер — упрощенно, минимальная ячейка на жестком диске для хранения информации, эдакая коробочка для хранения файлов. Кластер имеет вполне конкретные стандартизованные размеры равные 512 байт раньше и 4 096 байт в настоящее время. В одном кластере хранится только один файл, если он меньше размера кластера, то все равно занимает весь кластер. Когда файл не помещается целиком в одном кластере, то он записывается кусочками по разным кластерам, необязательно соседним. Поскольку размеры файлов крайне редко кратны размеру кластера, то на диске файлы практически всегда занимают больше места, чем их реальный размер. Чтобы было понятнее, возьмем для наглядности такой пример. Есть 9 кирпичей, из них 3 белых и 6 красных, а в контейнер помещается только 5 кирпичей одного типа. Чтобы хранить наши кирпичи нам понадобится 3 контейнера, хотя емкость двух контейнеров 10 кирпичей. Вот наглядная иллюстрация, как это происходит.

В файловой системе компьютера происходит точно также. В этом легко убедиться, если кликнуть правой кнопкой мыши по файлу и выбрать свойства.

Файл размером 6 байт занимает в файловой системе жесткого диска 4 096 байт, т.е. один кластер. Соответственно маленький размер кластера больше подходит для хранения маленьких файлов, а большой размер кластера для хранения больших. Тогда место на диске будет использоваться более рационально. Так же происходит и с ярлыками.

Структура файловой системы Windows

Первоначально, вся информация в виде файлов записывалась в файловую систему Windows в одну кучу, однако с ростом количества информации и емкости дисков это стало очень неудобно. Попробуйте найти нужную вам вещь в коробке, среди десятков других. Выходом из этой ситуации стало создание древовидной структуры папок (директорий или каталогов) сильно облегчающих структурирование и поиск информации. Внутри каталога создаются подкаталоги, и файлы группируются по логическому принципу удобному пользователю.

Дальнейший рост емкости дисков привел к следующему очевидному шагу, разбить один физический носитель информации на несколько логических разделов (дисков). Логически выделенная часть смежных блоков на диске называется раздел (partition). Такая структура файловой системы применяется в настоящее время в операционной системе Windows.

Это позволяет упростить структурирование информации, повысить надежность хранения данных за счет разделения системных и пользовательских файлов, более гибко управлять правами доступа к файлам, увеличить скорость дисковых операций. Каждый созданный логический диск воспринимается операционной системой, как независимый, хотя фактически он виртуален. Благодаря этому каждому разделу жесткого диска можно назначить произвольную файловую систему или настроить размер кластера, а так же иметь несколько операционных систем на одном компьютере.

Первый физический сектор жесткого диска отведен для хранения главной загрузочной записи (MBR), необходимой для начальной загрузки операционной системы, а так же хранит таблицу разделов.

Разделы бывают двух видов: первичный (основной) и дополнительный (расширенный). В первом секторе основного раздела располагается загрузочный сектор, обеспечивающий загрузку ОС с данного раздела жесткого диска. Всего на физическом диске может быть четыре раздела и только один из них расширенный. Дополнительный раздел представляет собой оболочку для любого количества других логических разделов. Это позволяет обойти ограничение, только четыре раздела на физическом диске.

Вот и все, что мы хотели рассказать о файловой системе компьютера в операционной системе Windows.

Все данные в компьютере хранятся в файлах (file – с англ. документ). Каждый файл имеет название, которое состоит из двух частей: имя(позволяет идентифицировать конкретный документ); расширение(характеризует тип документа, необязательный параметр). Длина имени вместе с расширением может содержать до 256 символов, имя от расширения отделяется точкой (расширением считаются символы после последней встречающейся точки). В имени и расширении файла нельзя использовать символы «?», «*», «:», «\», «/», «<», «>» и символ кавычек. В операционной системе MS-DOSфайлы с расширениями – исполняемые, – текстовые, – тексты программ на языках программирования: Паскаль, Бейсик, Си, Фортран соответственно, – файл базы данных. Windows различает прописные и строчные буквы при создании файла, но игнорирует регистр при обращении к файлу. Для нахождения файла не из текущей папки необходимо указать путь к нему. Путь – это последовательность продвижения от текущей папки или диска по ветвям дерева к нужному файлу. Имена папок на этом пути разделяются символом «\», а выход на один уровень вверх – «..». Если путь начинается с символа "\", то движение начинается от текущего диска, в противном случае – от текущей папки. Для указания нескольких файлов, объединенных по какому-либо признаку, в операционной системе используют специальные символы “*” и “?”. Символ «*» заменяет в имени или расширении файла любое количество произвольных символов, а «?» – любой символ, но только один. . docили *.doc– все файлы в текущей папке, обладающие расширением .doc. . doc– файлы с именем длиной не более трех символов и расширением .doc, с. doc–все файлы с именем, начинающимся с символа “с”, длиной не более трех символов и расширением .doc. Папки (каталоги)– элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам. Файлы объединяются в папки по признаку, заданному пользователем (по типу, по назначению, по принадлежности и т.п.) Папки низких уровней вкладываются в папки более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска. Все папки образуют древовидную структуру. Самой главной папкой (папкой верхнего уровня) является Рабочий стол. В нее вложены папки:Мой компьютер,Сетевое окружениеиКорзина. Мой компьютерсодержит все ресурсы данного компьютера, позволяет иметь доступ ко всем дискам, папкам и файлам в компьютере, содержит средства настройки и управления и т.д. Сетевое окружениепозволяет иметь доступ ко всем ПК и серверам, подключенным к ЛВС (Локальной Вычислительной Сети). Корзинапредназначена для временного хранения удаленных файлов, папок, ярлыков, позволяет восстановить объекты, удаленные по ошибке. Все ограничения, существующие для имен файлов, распространяются на имена папок, причем в имени папки расширение, как правило, отсутствует. Диски в Windows также считаются папками. Все современные дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица. Ее измерения: номер поверхности; номер цилиндра; номер сектора. Данные о месторасположении хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Сектор– наименьшая единица хранения данных (512 байт). Кластер– наименьшая единица адресации к данным (размер не фиксирован, зависит от емкости диска). Windows 98 обеспечивает совершенную организацию файловой системы – FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Функции обслуживания файловой структуры: запуск программ и открытие документов; создание файлов и присвоение им имен; создание папок (каталогов) и присвоение им имен; переименование файлов и папок (каталогов); копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между папками (каталогами) одного диска; удаление файлов и папок (каталогов); навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, папке (каталогу); управление атрибутами файлов.

ОС UNIX

Состоит из двух компонент:

иерархия файлов и директорий
набор файлов устройств, логических томов или разделов.

Для файловой системы UNIX характерна операция монтирования. Монтирование – установление ассоциаций между именами файловой иерархии и устройствами. Оно происходит в два этапа:

Модуль 8. Управление данными

Тема 15. Способы доступа и организации файлов. Распределение файлов на диске

С точки зрения внутренней структуры (логической организации) файл - это совокупность однотипных записей, каждая из которых информирует о свойствах одного объекта. Записи могут быть фиксированной длины, переменной длины или неопределенной длины. Записи переменной длины в своем составе содержат длину записи, а неопределенной длины – специальный символ конца записи.

При этом каждая запись может иметь идентификатор, представляющий собой ключ, который может быть сложным и состоять из нескольких полей.

Существует три способа доступа к данным, расположенным во внешней памяти:

Физически последовательный по порядку размещения записи в файле.

Логическипоследовательный в соответствии с упорядочением по значению ключей. Для выполнения упорядочения создается специальный индексный файл, в соответствии с которым записи представляются для обработки.

Прямой - непосредственно по ключу или физическому адресу записи.

Для организации доступа записи должны быть определенным образом расположены и взаимосвязаны во внешней памяти. Есть несколько способов логической организации памяти.

Записи располагаются в физическом порядке и обеспечивают доступ в физической последовательности. Таким образом, для обработки записи с номером N+1 необходимо последовательно обратиться к записям с номером 1, 2,….,N. Это универсальный способ организации файла периферийного устройства. Используется так же для организации входного/выходного потока.

Индексно-последовательный.

Записи располагаются в логической последовательности в соответствии со значением ключей записи. Физически записи располагаются в различных местах файла. Логическая последовательность файла фиксируется в специальной таблице индексов, в которой значение ключей связывается с физическим адресом записи. При такой организации доступ к записям осуществляется логически последовательно в порядке возрастания или убывания значения ключа или по значению ключа.

Место записи в файле, ее физический адрес, определяется алгоритмом преобразования для ключа. Доступ к записям возможен только прямой. Алгоритм преобразования ключа называется хешированием. Ключ, использующий алгоритм хеширования, преобразуется в номер записи.

Это организация, при которой осуществляется прямой доступ по порядковому номеру записи или по физическому адресу.

Организация, в которой файл состоит из последовательных подфайлов (разделов), первый из которых является оглавлением и содержит имена и адреса остальных подфайлов. При такой организации осуществляется комбинированныйдоступ: индексный прямой к разделу и последовательный в разделах.

Определить права доступа к файлу - значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

создание файла;
уничтожение файла;
открытие файла;
закрытие файла;
чтение файла;
запись в файл;
дополнение файла;
поиск в файле;
получение атрибутов файла;
установление новых значений атрибутов;
переименование;
выполнение файла;
чтение каталога;
и другие операции с файлами и каталогами.

В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции. В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных. Различают два основных подхода к определению прав доступа:

избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;

мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.

Физически том дисковой памяти - это отдельный носитель внешней памяти, представляющий собой совокупность блоков данных. Блок - это единица физической передачи данных (единица обмена данных с устройством). Запись - это единица ввода/вывода программы. Блок может содержать несколько логических записей, что минимизирует число операций ввода/вывода (рис.1).

Рисунок 1. Коэффициент блокирования 7

Физически файл - это совокупность выделенных блоков памяти (область внешней памяти). Существует два вида организации накопителей на магнитном диске:

1.Трековый, в котором весь диск подразделяется на треки (дорожки) фиксированной длины, на которых размещаются блоки переменного размера. Адресом блока является тройка:

Единицей выделения памяти является трек или цилиндр. Цилиндр представляет собой область памяти, образованную всеми дорожками, доступными на магнитных поверхностях без перемещения магнитных головок.

2.Секторный, в котором диск разбивается на блоки фиксированного размера, обычно кратного 256 байтам. Адресом блока является его порядковый номер на носителе.

Работа с дисковой памятью включает в себя 4 основные процедуры:

Инициализация тома (форматирование).
Выделение и освобождение памяти файлу.
Уплотнение внешней памяти (дефрагментация).
Копирование, восстановление томов для обеспечения целостности.

форматирования диска на дорожки (сектора);
определения сбойных участков диска;
присвоения метки тому;
создания оглавления тома;
записи ОС, если это необходимо.

Выделение и освобождение места для файлов на томе аналогично стратегии размещения ОП.

Непрерывное распределение памяти, когда файлу выделяется непрерывный участок памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Достоинство этого метода - простота. Очевидный недостаток - проблема расширения файла и фрагментация. Уплотнение или дефрагментация используется для восстановления памяти.
Секторное или блочное распределение, когда файлу выделяется логически связанные блоки, физически размещенные в любом месте. При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла также может быть задан одним числом - номером первого блока. В отличие от предыдущего способа, каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла и, следовательно, фрагментация отсутствует. Файл может изменяться во время своего существования, наращивая число блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того чтобы прочитать пятый по порядку блок файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых блока, прослеживая цепочку номеров блоков.

Популярным способом, используемым, например, в файловой системе FAT операционной системы MS-DOS, является использование связанного списка индексов. С каждым блоком (кластером) связывается некоторый элемент - индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска (в MS-DOS это таблица FAT). Если некоторый блок распределен файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При этом для каждого файла в каталоге имеется поле, в котором отмечается номер начального индекса для кластера, входящего в файл. Последний индекс содержит специальный маркер конца файла. Такая физическая организация сохраняет все достоинства предыдущего способа и снимает отмеченный недостаток: для доступа к произвольному месту файла достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество блоков файла по цепочке и определить номер нужного блока.

В некоторых файловых системах запросы к внешним устройствам, в которых адресация осуществляется блоками (диски, ленты), перехватываются промежуточным программным слоем-подсистемой буферизации. Подсистема буферизации представляет собой буферный пул, располагающийся в оперативной памяти, и комплекс программ, управляющих этим пулом и позволяющий выполнять опережающее считывание блоков файла при последовательном доступе. Каждый буфер пула имеет размер, равный одному блоку. При поступлении запроса на чтение некоторого блока подсистема буферизации просматривает свой буферный пул и, если находит требуемый блок, то копирует его в буфер запрашивающего процесса. Операция ввода-вывода считается выполненной, хотя физического обмена с устройством не происходило. Очевиден выигрыш во времени доступа к файлу. Если же нужный блок в буферном пуле отсутствует, то он считывается с устройства и одновременно с передачей запрашивающему процессу копируется в один из буферов подсистемы буферизации. При отсутствии свободного буфера на диск вытесняется наименее используемая информация. Таким образом, подсистема буферизации работает по принципу кэш-памяти. Кроме того, буферизация позволяет одновременно обрабатывать программой текущий блок и читать/писать в другие буфера следующий блок.

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.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

l совокупность всех файлов на диске,

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

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

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых системах одному и тому же файлу не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимно-однозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и используется программами операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Типы файлов

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

l информация о разрешенном доступе,

l пароль для доступа к файлу,

l владелец файла,

l создатель файла,

l признак "только для чтения",

l признак "скрытый файл",

l признак "системный файл",

l признак "архивный файл",

l признак "двоичный/символьный",

l признак "временный" (удалить после завершения процесса),

l признак блокировки,

l указатель на ключевое поле в записи,

l времена создания, последнего доступа и последнего изменения,

l текущий размер файла,

l максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (рисунок 2.31). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рисунок 2.32).

Рис. 2.31. Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта);
б - структура записи каталога ОС UNIX

Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Рис. 2.32. Логическая организация файловой системы
а - одноуровневая; б - иерархическая (дерево); в - иерархическая (сеть)

Логическая организация файла

Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи. На рисунке 2.33 показаны несколько схем логической организации файла. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная организация). Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS-DOS файл имеет простейшую логическую структуру - последовательность однобайтовых записей.

Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись – это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи.

На рис. 7.3 показаны несколько схем логической организации файла. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная организация). Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS-DOS файл имеет простейшую логическую структуру – последова
тельность однобайтовых записей.

Рис. 7.3. Способы логической организации файлов

Поддержание структуры данных может быть либо целиком возложено на приложение, либо эту работу в той или иной степени может взять на себя файловая система.

В первом случае файл представляется файловой системе неструктурированной последовательностью байт. Структуризация и интерпретация содержимого файла выполняются приложением. Приложение формулирует запросы к файловой системе на ввод-вывод, используя общие для всех приложений системные средства, например, указывая смещение от начала файла и количество байт, которые необходимо считать или записать. Поступивший к приложению поток байт интерпретируется в соответствии с заложенной в программе логикой. Подчеркнем, что интерпретация данных никак не связана с действительным способом их хранения в файловой системе.

Такая неструктурированная модель файла стала популярной вместе с ОС UNIX, а теперь она широко используется в большинстве современных ОС, в том числе MS-DOS, Windows NT/2000, NetWare. Неструктурированная модель файла позволяет легко организовать разделение файла между несколькими приложениями, причем разные приложения могут по-своему структурировать и интерпретировать данные, содержащиеся в файле.

Другая модель файла – структурированный файл в настоящее время используется редко (применялась в старых ОС OS/360, DEC RSX и VMS). В этом случае поддержание структуры файла поручается файловой системе. Файловая система видит файл как упорядоченную последовательность логических записей. Приложение может обращаться к файловой структуре с запросами на ввод-вывод на уровне записей, например «считать запись 25 из файла FILE.DOC». Файловая структура предоставляет приложению доступ к записи, а вся дальнейшая обработка данных, содержащихся в этой записи, выполняется приложением. Развитием этого подхода стали системы управления базами данных (СУБД).

Физическая организация файловой системы

Представление пользователя о файловой системе как об иерархически организованном множестве информационных объектов имеет мало общего с порядком хранения файлов на диске. Файл очень часто разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла, например, его отдельная логическая запись может быть расположена в несмежных секторах диска.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической организацией файловой системы. Разные файловые системы имеют разную физическую организацию.

Рассмотрим физическую структуру жесткого диска и физическую организацию файла, т. е. правила расположения файла на жестком диске (или ином внешнем запоминающем устройстве).

Структура жесткого диска

Основным типом устройства, которое используется для хранения файлов, являются дисковые накопители. Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Таким образом, диск в общем случае состоит из пакета пластин (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема устройства жесткого диска

На обеих сторонах пластин размечены тонкие концентрические кольца – дорожки (треки), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависят от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Запись и считывание данных с дорожки выполняется магнитной головкой.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (блоками). Все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, чаще всего 512 байт. Поскольку дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плотность записи повышается к центру диска.

Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. Типичный запрос включает чтение нескольких секторов.

Операционная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером. Размер кластера кратен размеру физического сектора и в зависимости от размера раздела может составлять от 1 до 128 секторов (от 512 байт до 128 Кбайт). Размер кластера задается автоматически или вручную при форматировании диска.

При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Например, если размер файла 2560 байт, а размер кластера в файловой системе 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

*Иногда кластер называют блоком (например, в ОС Unix), что создает путаницу.

Дорожки и секторы создаются в результате низкокоуровневого (физического) форматирования диска. Низкоуровневое форматирование не зависит от типа ОС, которая этот диск будет использовать.

Разметка диска под конкретный тип файловой системы происходит в результате высокоуровневого (логического) форматирования.При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы. На диск записывается также загрузчик операционной системы – небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.

Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел – это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство (логический диск, логический раздел). Во многих операционных системах используется термин «том» (volume). В разных ОС толкование этого термина имеет свои нюансы, но чаше всего он обозначает логическое устройство, отформатированное под конкретную файловую систему. Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск. Именно с логическими устройствами работает пользователь, обращаясь к ним по символьным именам, например, А, В, С, SYS и т. п.

Разные ОС используют единое представление о разделах, но создают логические устройства, специфические для каждого типа ОС. Поэтому логические устройства и файловые системы, созданные в различных ОС, в общем случае не совместимы.

Как следствие, на одном логическом устройстве может создаваться только одна файловая система. На разных логических устройствах одного физического диска могут располагаться файловые системы разного типа, например: разделы С и Е имеют файловую систему NTFS, раздел D – файловую систему FAT.

После низкоуровневого форматирования все разделы диска имеют одинаковый размер кластера. Однако в результате высокоуровневого форматирования на разных разделах этого диска могут быть установлены файловые системы, с кластерами отличающихся размеров.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Читайте также: