Классифицировать файлы что это

Обновлено: 07.07.2024

Из выпуска серии "Основы информационных систем", посвященному дискам и файловым системам Вы узнаете, что такое файлы. В этой же части автор как бы рассмотрит файлы "с другой стороны", а именно со стороны пользователя операционной системы. Благодаря реализации семиуровневой эталонной модели взаимодействия протоколов ISO для работы файлов во всех операционных системах, пользователю уже не обязательно знать, к какому контроллеру подключен диск с его данными, под какую файловую систему размечена его поверхность, к какому компьютеру он подключен и другие более специальные вопросы. Непосредственно с прикладными программами взаимодействует лишь редиректор, который обеспечивает доступ к блочным устройствам ввода-вывода. Именно реализацией редиректора и различаются интерфейсы и взаимодействия прикладных программ с файловыми системами (смотри рисунок D.1.) Поэтому далее рассматривается лишь интерфейс различных операционных системах, который определяется в основном редиректором, с учетом ограничений различных файловых систем.

Рис. D.1. Классификация интерфейсов жестких дисков в соответствии с семиуровневой эталонной модели протоколов ISO.

Файлы могут содержать в себе любую информацию. Это могут быть как программы, выполняемые под управлением какой-либо операционной системы, либо файлы с данными для этих программ. Независимо от операционных систем персональных компьютеров все файлы можно разделить на текстовые и бинарные (по другому - двоичные ) файлы. Текстовыми файлами называют файлы, в которых используются в качестве информационных символы с шестнадцатеричными кодами 20h-7Eh (32 -126 десятичными) и 80h-7Eh (128 - 254 десятичными). В качестве служебных кодов и только в качестве них допускается использовать символы с кодами:

09h (9) (HT) - горизонтальная табуляция;

0Ah (10) (LF,EOL) - новая строка (перевод строки);

0Bh (11) (VT) - вертикальная табуляция;

0Ch (12) (FF) - новая строка (перевод страницы);

0Dh (13) (CR) - возврат каретки;

1Ah (26) (SUB,EOF) - конец файла. *

Примечание: При визуализации текстового файла символ горизонтальной табуляции заменяется несколькими (обычно восемью) проблемами, символ вертикальной табуляции - несколькими пустыми строками. Символ возврата каретки переводит курсор (или позицию вывода нового символа) на первый элемент начала строки. Символ перевода строки выводит следующий символ на своем месте, только строкой ниже. Поэтому символ EOL (End-of-Line) ы действительности - это последовательность символов CR/LF. Все символы, расположенные после символа конца файла, при выводе игнорируются.

Среди всех текстовых файлов можно выделить подмножество чистых ASCII файлов , информационные символы которых имеют только коды с номерами 20h - 7Eh. Двоичные же файлы представляют из себя последовательность из любых символов. Их длина определяется из заголовка файла. Это разделение является важным для различных операционных систем, поскольку назначение и обработка бинарных и текстовых файлов в операционных системах различаются.

Также файлы можно разделить на исполняемые (программы) и неисполняемые ( файлы данных и документов). Исполняемые файлы могут запускаться операционной системой на выполнение, а неисполняемые файлы могут только изменять свое содержимое в процессе выполнения программ. Далее можно разделить файлы на основные , присутствие которых обязательно для работы операционной системы и программных продуктов, служебные , хранящие конфигурацию и настройки основных файлов, рабочие , содержимое которых изменяется в результате работы основных программных файлов и собственно ради которых и создаются все остальные файлы, а также временные файлы , создающиеся в момент работы основных и хранящие промежуточные результаты.

Файлы и каталоги

Следует отметить, что существует специальный вид файла, называемый каталогом (catalog) , или директорией (ditectory) . В нем содержатся ссылки на другие файлы. Поскольку ссылки на эти файлы содержатся лишь в одном из каталогов, для пользователи эти файлы как бы расположены в каталоге. На самом деле, конечно, все файлы находятся в секторах диска. Но это истинно лишь на физическом уровне, а на уровне представления данных файлы находятся в каталогах. Преимущества каталогов, особенности их работы с ними будут описаны ниже. Следует только отметить, что каталоги появились не сразу и не во всех операционных системах. Они возникли там, где требовался большой объем хранимой информации (например, в файловых системах жестких дисков) и, следовательно, возникли сложности с организацией и размещением большого числа файлов. Эти преимущества каталогов следует использовать при работе с операционными системами, содержащих каталоги.

Любой файл содержит в служебных полях следующую информацию о себе. Она включает имя, дату и время создания и модификации, свой размер, и другие атрибуты, зависящие от реализации файловой системы. То же относится и к каталогу. Имя и тип любого файла (и каталога) должны быть уникальными в пределах того каталога, в котором они находятся. Рассмотрим ограничения, налагаемые на файлы операционными системами.

Используется MS-DOS для организации файловой системы на дискетах и жестких дисках размером до 20 Мбайт . В настоящее время для организации разделов на жестких дисках не используется. Ее заменила файловая система FAT16. Работа с файлами в данной файловой системе полностью идентична работе в файловой системе FAT16, о которой будет рассказано ниже.

Имя файла в этой файловой системе состоит из одного или не более чем восьми символов, которые приведены в нижеследующей таблице. Кроме того, у файловых систем программных продуктов фирмы Microsoft присутствует так называемое расширение , отделяемое от имени файла точкой. Это расширение неявно указывает, какой программой создан или будет обрабатываться файл.

Примечание: В операционных системах UNIX такого понятия нет: там расширение - это просто часть имени.

В MS-DOS расширение может содержать от нуля до трех символов. Ограничения на используемые символов в расширении - те же, что и в имени файлов.

Таблица D.I. Используемые символы в имени файлов в MS-DOS.

Тип используемых символов

Прописные и строчные латинские буквы

Служебные символы:

Прописные и строчные русские буквы (**)

Примечание (*): MS-DOS не делает различия между строчными и прописными буквами. При выводе имени все буквы преобразуются в прописные.

Примечание (**): русские буквы доступны лишь в пан=европейской и русской локализованной версии MS-DOS.

В MS-DOS расширения играют очень важную роль. Так, исполняемые файлы MS-DOS имеют следующие расширения (смотри таблицу D.II.)

Таблица D.II. Расширения исполняемых файлов.

Признак файла

Двоичный исполняемый под MS-DOS файл. Не имеет заголовка. Максимальный размер - 64 Кбайт.

Двоичный исполняемый под управлением MS-DOS или MS Windows самонастраивающийся файл. Содержит заголовок. Не имеет ограничений на длину.

Командный файл MS-DOS. В нем записывается последовательность двоичных программ, выполняемых под управлением MS-DOS.

На имена файлов в операционных системах MS-DOS, кроме ограничений на длину и тип символов, накладываются дополнительные ограничения. Следующие имена файлов зарезервированы за внешними устройствами (см. таблицу D.III).

Таблица D.III. Зарезервированные имена MS-DOS.

Устройства, подключенные к параллельным портам компьютера. Цифра обозначает номер порта.

Синоним LPT1, Обычно к этому порту подключен принтер.

Устройства, подключаемые к последовательным портам компьютера. Цифра обозначает номер порта.

Синоним COM1. Обычно к нему подключается модем или мышь.

Консоль. При выводе символов - это экран монитора, а при вводе - клавиатура.

Пустое устройство. Все операции ввода - вывода на это устройство игнорируются. При чтении с этого устройства выдается символ конца файла, а при записи символы пропадают, но программе сообщается об успешном выводе.

Эти вышеперечисленные имена устройств не могут функционировать как имена файлов. Однако применение их в качестве расширений допустимо! Примеры:

PRN.TXT - недопустимое имя файла.

TEXT.PRN, NEW.AUX - допустимые имена файлов.

Поскольку каталог является одним их видов файла (смотри выше раздел A.1.2.), то на него действуют те же ограничения на имена, что и на файлы.

Расширение имени каталога не несет никакой смысловой нагрузки и служит лишь довеском к имени. Обычно расширение у каталогов отсутствует.

Впервые появилась в операционной системе Microsoft Windows 95. Она очень похода на файловую систему FAT16. Для пользователя существенны следующие отличия от FAT16:

1. У нее нет ограничений на число и размер расширения. В этой файловой системе может быть несколько расширений, разделяемых точкой. Однако тип файла определяется по последнему расширению, а остальные рассматриваются как имя файла.

2. Максимальная длина имени файла с расширением - не 12 символов, как в FAT16, а 255. Вследствие этого не нужно придумывать какие-либо сокращения для имен файлов, чтобы уложиться в прокрустово ложе из восьми символов.

3. Имя файла в этой файловой системе хранится в нескольких местах. В одном из них храниться истинное длинное имя файла в кодировке Windows, а в другом - сокращенное до восьми символов имя файла в кодировке DOS. Это сделано для совместимости со старыми версиями FAT, а именной - FAT12 и FAT16. Именно они и только они доступны в операционной системе MS-DOS, PC-DOS и DR-DOS, а также в операционных оболочках Microsoft Windows v. 2.00 - 3.11. Это имя образуется следующим образом (см. Фигурнов 7. ):

a) Длинное имя преобразуется в кодировку OEM (в "родную" кодировку MS-DOS).

b) Если имя файла уже удовлетворяет требованиям DOS, то дальнейшие преобразования не проводятся. В противном случае - переход к пункту c)

c) Длинное имя переводится в верхний регистр. Например, файл abc.txt становится ABC.TXT .

d) Если после этого имя файла удовлетворяет требованиям DOS, то оно и будет служить коротким именем. В противном случае - переход к пункту e).

e) Из длинного имени удаляются все пробелы, а символы "+", "," , ";", "=", "[" и "]", недопустимые в длинных именах, заменяются символами подчеркивания.

f) Если в имени имеются точки, то часть имени за последней из них рассматривается как расширение. Расширение обрезается справа до трех символов. Все точки из имени, кроме последней, удаляются.

g)Если длина имени файла по прежнему превышает 8 символов,то полученное имя урезается до шести символов. Получается как бы "укороченное" имя.

h) К этому "укороченному имени добавляется порядковый номер, записанное через тильду.

Все существующие файлы условно можно разделить на две основные группы: системные и пользовательские. Очевидно, что системные файлы являются составляющими элементами самой системы, содержат в себе библиотеки, алгоритмы, команды, обеспечивающие работоспособность операционной системы. Пользовательские файлы являются виртуальным достоянием пользователя и для их чтения или редактирования требуются соответствующие программы.

Операционная система определяет тип файла по его расширению. Расширением называется последняя часть имени файла, которая следует после точки. Точек в названии может быть несколько, поэтому расширением считается часть имени файла, следующая за последней точкой в его названии. Пример: filename.txt

От расширения файла зависит — какой программой будет производиться чтение или редактирование данного файла.

Здесь возникает некоторая сложность в понимании для новичка. Дело в том, что операционная система, по умолчанию, настроена так, что известные системе расширения файлов не отображаются. В этом случае, пользователь видит только название самого файла. Видимо, создатели ОС посчитали, что пользователю нет смысла вдаваться в технические подробности.

Увы, без знания технических подробностей, полноценное взаимодействие с компьютером невозможно. По той причине, что расширения файлов остаются скрытыми, многие пользователи даже не подозревают о том, что в одной папке (каталоге) не может существовать двух файлов с одинаковыми названиями. Каждое название файла индивидуально для каждой конкретной папки.

Заблуждение возникает по той причине, что один файл может называться filename.txt, а второй файл может называться filename.jpg. Для системы, оба этих названия являются разными из-за разных расширений в имени, а пользователь, если расширения не отображаются, видит два одинаковых имени файла в одной папке и думает, что такое вполне возможно.

Рассмотрим типы пользовательских файлов. Условно их можно разделить на четыре основные группы:

1. Текстовый документ

Основным типом пользовательских файлов является текстовый документ. Данное утверждение не требует объемных доказательств, достаточно напомнить о том, что ни один сайт в интернете не обходится без текста. Кроме того, никакая электронная отчетность, ведение бухгалтерии, логистики, заключение договоров — тоже не могут обойтись без набора текстовых символов. Текст в компьютерном мире является, пусть не самым красочным, но самым основным источником информации. Графические изображения, как правило, являются дополнением к основному текстовому файлу, если содержат графики, чертежи, иллюстрации или фотографии.

Текстовый документ может содержать в себе обычный или форматированный текст. Если текстовый документ содержит неформатированный текст, такая запись, по сути, является единой строкой, содержащей определенный набор символов. Приложения, работающие с текстовыми документами, для удобства чтения автоматически располагают текст в окне в несколько строк, осуществляя перенос по словам.

Неформатированный текст содержит только основной набор символов, без указания типа и размера шрифта. Программы, работающие с текстом, отображают неформатированный текст размером и шрифтом выбранным пользователем. Таким образом, неформатированный текст, на двух разных компьютерах, может выглядеть совершенно по-разному, сохранится только основной логический смысл данного текста.

В операционной системе Windows, для чтения и создания простых текстовых файлов без форматирования, существует гениальное приложение "Блокнот". Данное приложение позволяет создавать простые текстовые файлы без форматирования. Кроме того, приложение позволяет открывать и редактировать некоторые системные файлы, содержащие техническую текстовую информацию. Также возможно создание или редактирование страниц интернета в формате HTM или HTML .

Форматированный текст имеет заданный и описанный в самом файле тип и размер шрифта, разбивку на абзацы, страницы, отступы текста от краев страницы, что подразумевает дальнейший вывод текста на печать с помощью принтера. Также форматированный текст может иметь таблицы, гипертекстовые ссылки, позволяющие осуществлять переход прямо из текстового документа на указанный ресурс в сети Интернет.

Наиболее известная программа, которая используется для работы с форматированным текстом, разработана компанией Microsoft и называется Word.

Некоторые пользователи полагают, что программа Word является неотъемлемой частью операционной системы Windows .

На самом деле, данное приложение является отдельным продуктом компании и устанавливается дополнительно. Приложение разработано специально для работников офиса, которым постоянно приходится работать с отчетами, сметами, счетами, договорами и другими аналогичными документами.

Текст без иллюстраций, фотографий или иконок выглядит слишком сухо и скучно. Иногда рисунки просто необходимы для наглядности. Все изображения, используемые в цифровой среде, можно разделить на две основных группы: растровая и векторная графика. Разница между этими двумя группами значительна и заключается в принципах построения, сохранения и чтения изображения.

Растровые изображения появились раньше и пока остаются наиболее популярными. Связано это с тем, что создавать и редактировать растровые изображения гораздо проще. На сегодняшний день существует множество различных программ, доступных широкому кругу пользователей, которые созданы для работы с растровой графикой.

Общий принцип растрового изображения заключается в том, что оно состоит из точек — пикселей. Такой принцип продиктован устройством самих мониторов, где также используются трехцветные пиксели. Каждый пиксель монитора состоит из трех ячеек, которым заданы базовые цвета: красный, зеленый и синий.
От яркости свечения каждой цветной ячейки, входящей в состав одного пикселя, зависит его общий суммарный цвет. Одинаковое свечение красного и зеленого порождают желтый цвет, одинаковое свечение зеленого и синего — дают голубой, а все три цвета в сумме дают белый. Разное процентное соотношение трёх базовых цветов — создает всю богатую палитру не только виртуального, но и окружающего мира.

Качество растрового изображения зависит от количества пикселей. Чем больше пикселей, тем выше может быть качество изображения. Пиксели в графическом рисунке образуют горизонтальные строки и вертикальные столбцы. Любое растровое изображение имеет четкий размер по ширине и высоте, который также указывается в пикселях.

Основной недостаток растрового изображения заключается в том, что изменение исходного размера изображения приводит к ухудшению качества. Связано это с тем, что при уменьшении изображения соседние пиксели суммируются и сливаются в один. При увеличении изображения добавляются новые пиксели, которым присваивается промежуточное значение соседних.
Если исходное изображение не уменьшать, а сразу увеличивать, то и в этом случае, за счет появления промежуточных пикселей теряется исходная четкость изображения. Наименьшие потери качества происходят при увеличении изображения на коэффициент кратный четырем: в два, в четыре, в восемь или шестнадцать раз.
В этих случаях, каждый пиксель просто увеличивается в четыре раза, либо в восемь, шестнадцать раз, но не появляются пиксели с промежуточными значениями.

Помимо растровой графики, существует векторная графика . Принцип построения векторного изображения заключается в том, что в исходном файле сохраняется сама форма каждого элемента изображения, в процентном соотношении от общей площади изображения. Подобное сохранение информации обеспечивает четкость изображения при любом изменении размера.
Векторное изображение, созданное на дисплее обычного компьютера, не потеряет своё качество даже в том случае, если его растянуть до размеров многоэтажного дома. Объем файла векторной графики зависит от количества элементов, используемых в рисунке.

Возможность воспроизведения звука на компьютере не является такой важной и необходимой составляющей, как текст или графическое изображение, но делает цифровой мир более совершенным и многогранным. Если же рассматривать техническую составляющую, компьютер, лишенный возможности работы со звуком, стал бы бесполезной игрушкой для композиторов, музыкантов, аранжировщиков и других специалистов, чья творческая или трудовая деятельность связана непосредственно со звуковыми файлами.
Для того чтобы понять структуру звукового файла, обратимся к базовым понятиям возникновения звука в природе. Известно, что любой звук это волна, которая порождается источником звука с помощью колебаний. От частоты колебаний источника звука зависит частота звуковой волны. Частота колебаний выражается в Герцах. Один Герц (Гц или Hz) означает одно колебание в секунду. Человеческое ухо способно слышать звуковые колебания в диапазоне от 20 колебаний в секунду (20 Гц) до 20 000 колебаний (20 кГц).

Некоторые источники утверждают, что человеческое ухо слышит не от 20, а от 30 Герц. Так или иначе, но всё, что ниже слышимого диапазона — принято считать инфразвуком, а диапазон свыше 20 000 Герц — принято считать ультразвуком.
Звуковой файл, по своей сути, это цифровая запись колебаний источника звука. При воспроизведении звукового файла, считывается запись колебаний, а сигнал, сгенерированный в соответствии с записью, подаётся на усилитель мощности, а уже затем воспроизводится динамиками звукового устройства.
Запись звука можно представить в виде графика. Для простоты восприятия, на графике изображена частота равная одному колебанию в секунду, что соответствует 1 Герц. Естественно, человеческое ухо не может услышать такую частоту, но на данном примере проще объяснить общий принцип звучания частот.

Когда мы слышим музыку, мы можем различать звучание множества различных музыкальных инструментов. Все они звучат на разных частотах, но запись подобного звучания выглядит в виде всего одной звуковой дорожки. Возникает вполне справедливый вопрос: Каким образом одна звуковая дорожка может содержать запись нескольких музыкальных инструментов?
Чтобы ответить на данный вопрос, воспользуемся двумя графиками. На одном графике изображена частота 1 Герц, на втором графике изображена частота 10 Герц. Как будет выглядеть график, если две этих частоты суммировать в один график?
Примитивная математика здесь бессильна и 1 плюс 10 Герц не будет равняться 11 Герцам. Полученный график будет сочетать в себе обе частоты, которые, при воспроизведении будут слышаться по отдельности. То есть, не сольются в единый звук. Однако, следует заметить, что суммируется громкость частот.

Подобным образом происходит наложение и слияние многих частот. В конце-концов, человеческое ухо — также имеет всего одну мембрану (барабанную перепонку), которая воспринимает всё многообразие звуков реального мира.

Видеофайлы являются наиболее "тяжелыми" по своему объему и наиболее сложными для воспроизведения на компьютере. Впрочем, для любого компьютера нет ничего страшнее, чем качественная видеоигра с трехмерной графикой и массой реалистичных эффектов: дым, туман, падающие тени от объектов и многие другие эффекты, которые создают максимальную нагрузку для видеокарты, заставляя её просчитывать весь виртуальный мир трёхмерной сцены.

Игровой режим с 3D-графикой наиболее опасен для ноутбуков потому, что система охлаждения обслуживает одновременно главный процессор и видеочип. Однако, скорость вращения кулера зависит от температуры главного процессора. Видеоигра может давать незначительную нагрузку для главного процессора при максимальной нагрузке видеочипа. В этом случае, кулер работает на пониженных оборотах, видеочип нагревается сильнее, чем главный процессор, но не получает достойного охлаждения, из-за чего значительно сокращается срок службы видеочипа.

Если учитывать нагрузку, которую создаёт трехмерная игра, то воспроизведение видеофайлов можно считать пустяком, который создаёт нагрузку процессора в пределах от 25-30% до 67-75%. Конечно, процент загрузки зависит ещё от мощности самого процессора. Чем мощнее процессор, тем проще ему работать. Для видеокарты-же нагрузка остается минимальной, поскольку, вся работа заключается в просчете плоского, двухмерного изображения, имеющего лишь ширину и высоту кадра.
Как говорилось ранее, видеофайл представляет собой серию последовательных, графических рисунков, сопровождающихся аудиодорожкой. Объем видеофайла напрямую зависит от размера и количества кадров. Правда, помимо этих параметров, существуют и такие, как интерлейсинг, битрейт, сжатие.
Известно, что человеческий глаз воспринимает движение на экране в том случае, если скорость смены кадров не ниже 24 кадров в секунду. Однако, некоторые цифровые форматы имеют настройку от шести с половиной кадров в секунду и выше. Как такое возможно?

Всё дело в том, что в подобных случаях смена кадра происходит так же быстро и резко, но время показа одного кадра на экране значительно увеличено. Конечно, чем больше кадров в секунду мы видим, тем плавнее воспринимается движение на экране.

Есть ещё такое заблуждение, что 24 кадра в секунду это максимум для человеческого глаза, а повышать количество кадров не имеет смысла. На самом деле, видео, воспроизводимое со скоростью 30 кадров в секунду, воспринимается глазом более плавно и кажется более натуральным, а 60 кадров в секунду создаёт ещё более плавный и реалистичный эффект движения.

Заключение

По своей сути, любой файл содержит запись, состоящую из набора символов. Разница лишь в том, что значения символов, в разных типах файлов, имеют разное значение. Текстовые файлы появились одними из первых, ещё на заре развития компьютерной техники. Они могут иметь простое или сложное форматирование, подразумевающее отступы текста от краёв, разбивку текста на отдельные страницы, если подразумевается вывод документа на печать.

Вторым по значению можно смело назвать графический рисунок. К этой категории относится любое растровое изображение, будь то фотография, сделанная с помощью цифровой камеры или рисунок, созданный от руки. Для компьютера не имеет значения, каким образом был создан графический рисунок, для него это просто файл, в котором описано количество точек по вертикали и горизонтали, а также указан цвет каждой точки. Открывая изображение для просмотра, компьютер должен прочитать графический файл от начала до конца и затем, в соответствии с его содержимым, отобразить область рисунка указанными цветами. Пользователь видит картинку или фотографию.

Если графические файлы содержат информацию о количестве и цветах точек, из которых состоит рисунок, то аудиофайл содержит в себе запись частоты колебаний мембраны динамиков или наушников. Компьютер, считывая информацию аудиофайла, генерирует необходимые частоты и передает их на предварительный усилитель громкости, с которого сигнал поступает на усилитель мощности и далее начинает звучать в наушниках или динамиках.

Самым "тяжелым" и сложным для обработки и чтения является видеофайл, который состоит из двух частей: видеоряд и звуковая дорожка. По своей сути, видеофайл это объединение графического рисунка с аудиофайлом, с той разницей, что видеофайл подразумевает не один рисунок, а целую серию графических рисунков, которые сменяются со скоростью 12.5, 15, 25, 29.9 или 30 кадров в секунду. Скорость смены кадров также указана в самом видеофайле. Следует учитывать, что воспроизведение видеоряда должно ещё сопровождаться синхронным воспроизведением аудиодорожки. Из-за такой сложности, на слабых компьютерах нередко возникает рассинхронизация потоков, когда видеоряд отстает от аудиодорожки, либо наоборот: опережает её.

Рядовому пользователю компьютерных электронных устройств редко, но приходится сталкиваться с таким понятием, как «выбор файловой системы». Чаще всего это происходит при необходимости форматирования внешних накопителей (флешек, microSD), установке операционных систем, восстановлении данных на проблемных носителях, в том числе жестких дисках. Пользователям Windows предлагается выбрать тип файловой системы, FAT32 или NTFS, и способ форматирования (быстрое/глубокое). Дополнительно можно установить размер кластера. При использовании ОС Linux и macOS названия файловых систем могут отличаться.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе.

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ A PI. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

На физическом уровне драйверы ФС оптимизируют запись и считывание отдельных частей файлов для ускоренной обработки запросов, фрагментации и «склеивания» хранящейся в ячейках информации. Данный алгоритм получил распространение в большинстве популярных файловых систем на концептуальном уровне в виде иерархической структуры представления метаданных (B-trees). Технология снижает количество самых длительных дисковых операций – позиционирования головок при чтении произвольных блоков. Это позволяет не только ускорить обработку запросов, но и продлить срок службы HDD. В случае с твердотельными накопителями, где принцип записи, хранения и считывания информации отличается от применяемого в жестких дисках, ситуация с выбором оптимальной файловой системы имеет свои нюансы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

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;
поиск файлов;
организация каталогов для логической организации файлов;
защита файлов при системном сбое;
защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Задачи файловой системы

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

присвоение имен файлам;
программный интерфейс работы с файлами для приложений;
отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах реализуется задача защиты файлов от несанкционированного доступа, обеспечение совместной работы. При открытии файла одним из пользователей для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

Существует три основных вида операционных систем, используемых для управления любыми информационными устройствами: Windows компании Microsoft, macOS разработки Apple и операционные системы с открытым исходным кодом на базе Linux. Все они, для взаимодействия с физическими носителями, используют различные типы файловых систем, многие из которых дружат только со «своей» операционкой. В большинстве случаев они являются предустановленными, рядовые пользователи редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках.

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Более богатый выбор у линуксоидов. Но здесь настройка и использование определенного типа файловой системы требует хотя бы минимальных навыков программирования. Тем более, мало кто задумывается, можно ли использовать в определенной ОС «неродную» файловую систему. И зачем вообще это нужно.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

зарезервированный сектор для служебных структур;
табличная форма указателей;
непосредственная зона записи содержимого файлов.

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система.

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

Стандарт NTFS разработан с целью устранения недостатков, присущих более ранним версиям ФС. Впервые он был реализован в Windows NT в 1995 году, и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Система NTFS расширила допустимый предел размера файлов до шестнадцати гигабайт, поддерживает разделы диска до 16 Эб (эксабайт, 10 18 байт ). Использование системы шифрования Encryption File System (метод «прозрачного шифрования») осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла. Файловая система позволяет использовать расширенные имена файлов, включая поддержку многоязычности в стандарте юникода UTF, в том числе в формате кириллицы. Встроенное приложение проверки жесткого диска или внешнего накопителя на ошибки файловой системы chkdsk повышает надежность работы харда, но отрицательно влияет на производительность.

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем:

HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux.

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии.

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

ZFS – «Zettabyte File System» разработана для распределенных хранилищ Sun Solaris OS;
Apple Xsan – эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних разработках StorNext;
VMFS (Файловая система виртуальных машин) разработана компанией VMware для VMware ESX Server;
GFS – Red Hat Linux именуется как «глобальная файловая система» для Linux;
JFS1 – оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX.

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант - использование специальной утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.

Файловая система . На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: обла сть хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог - оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск - из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система , когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов (табл. 1.2). Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система , которая имеет древовидную структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое представляет собой иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов.

Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Например, в корневом каталоге могут находиться два вложенных каталога 1-го уровня (Каталог_1, Каталог_2) и один файл (Файл_1). В свою очередь, в каталоге 1-го уровня (Каталог_1) находятся два вложенных каталога второго уровня (Каталог_1.1 и Каталог_1.2) и один файл (Файл_1.1) - рис. 1.3.

Файловая система - это система хранения файлов и организации каталогов.

Рассмотрим иерархическую файловую систему на конкретном примере. Каждый диск имеет логическое имя (А:, В: - гибкие диски, С:, D:, Е: и так далее - жесткие и лазерные диски).

Пусть в корневом каталоге диска С: имеются два каталога 1-го уровня (GAMES, TEXT), а в каталоге GAMES один каталог 2-го уровня (CHESS). При этом в каталоге TEXT имеется файл proba.txt, а в каталоге CHESS - файл chess.exe (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пример иерархической файловой системы

Путь к файлу . Как найти имеющиеся файлы (chess.exe, proba.txt) в данной иерархической файловой системе? Для этого необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель "\" логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых содержится нужный файл. Пути к вышеперечисленным файлам можно записать следующим образом:

Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.

Пример полного имени файла:

Представление файловой системы с помощью графического интерфейса . Иерархическая файловая система MS-DOS, содержащая каталоги и файлы, представлена в операционной системе Windows с помощью графического интерфейса в форме иерархической системы папок и документов. Папка в Windows является аналогом каталога MS-DOS

Однако иерархическая структура этих систем несколько различается. В иерархической файловой системе MS-DOS вершиной иерархии объектов является корневой каталог диска, который можно сравнить со стволом дерева, на котором растут ветки (подкаталоги), а на ветках располагаются листья (файлы).

В Windows на вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол. Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети) - рис. 1.5.

Рис. 1.5. Иерархическая структура папок

Если мы хотим ознакомиться с ресурсами компьютера, необходимо открыть папку Мой компьютер.

1. В окне Мой компьютер находятся значки имеющихся в компьютере дисков. Активизация (щелчок) значка любого диска выводит в левой части окна информацию о его емкости, занятой и свободной частях.

Читайте также: