Файловая система

Фа́йловая систе́ма (англ. file system) — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п. 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.

Файловая система связывает носитель информации с одной стороны и API для доступа к файлам — с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же как и о том, на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте, блоке флеш-памяти или другом) он записан. Всё, что знает программа — это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. 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.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

Иерархия каталогов

Практически всегда файлы на дисках объединяются в каталоги.

В простейшем случае все файлы на данном диске хранятся в одном каталоге. Такая одноуровневая схема использовалась в CP/M и в первой версии MS-DOS 1.0. Иерархическая файловая система со вложенными друг в друга каталогами впервые появилась в Multics, затем в UNIX.

В настоящее время одноуровневые файловые системы используются очень редко, за исключением устройств с малой вычислительной мощностью и объёмом памяти, например, микроконтроллера ESP8266, использующий в собственной флэш-памяти (до 16 Мб) собственную файловую систему SPIFFS.

Wiki.txt
Tornado.jpg
Notepad.exe
(Одноуровневая файловая система)

Каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев, как в DOS/Windows, или же объединяться в одно дерево, общее для всех дисков, как в UNIX-подобных системах.

C:
  \Program files
      \CDEx
           \CDEx.exe
           \CDEx.hlp
           \mppenc.exe
  \Мои документы
      \Wiki.txt
      \Tornado.jpg
D:
  \Music
      \ABBA
           \1974 Waterloo
           \1976 Arrival
               \Money, Money, Money.ogg
           \1977 The Album
(Иерархическая файловая система Windows/DOS)

В UNIX существует только один корневой каталог, а все остальные файлы и каталоги вложены в него. Чтобы получить доступ к файлам и каталогам на каком-нибудь диске, необходимо смонтировать этот диск командой mount. Например, чтобы открыть файлы на CD, нужно, говоря простым языком, сказать операционной системе: «возьми файловую систему на этом компакт-диске и покажи её в каталоге /mnt/cdrom». Все файлы и каталоги, находящиеся на CD, появятся в этом каталоге /mnt/cdrom, который называется точкой монтирования (англ. mount point). В большинстве UNIX-подобных систем съёмные диски (дискеты и CD), флеш-накопители и другие внешние устройства хранения данных монтируют в каталог /mnt, /mount или /media. Unix и UNIX-подобные операционные системы также позволяют автоматически монтировать диски при загрузке операционной системы.

/
    /usr                                  
        /bin                              
            /arch                        
            /ls                         
            /raw                     
        /lib                           
            /libhistory.so.5.2           
            /libgpm.so.1                
    /home                                
        /lost+found                      
            /host.sh                    
        /guest                         
            /Pictures                   
                /example.png        
            /Video                     
                /matrix.avi            
                /news                
                    /lost_ship.mpeg    
(Иерархическая файловая система в Unix и UNIX-подобных операционных системах)

Обратите внимание на использование слешей в файловых системах Windows, UNIX и UNIX-подобных операционных системах (в Windows используется обратный слеш «\», а в UNIX и UNIX-подобных операционных системах — простой слеш «/»)

Кроме того, вышеописанная система позволяет монтировать не только файловые системы физических устройств, но и отдельные каталоги (параметр --bind) или, например, образ ISO (опция loop). Такие надстройки, как FUSE, позволяют также монтировать, например, целый каталог на FTP и ещё очень большое количество различных ресурсов.

Ещё более сложная структура применяется в NTFS и HFS. В этих файловых системах каждый файл представляет собой набор атрибутов. Атрибутами считаются не только традиционные только для чтения, системный, но и имя файла, размер и даже содержимое. Таким образом, для NTFS и HFS то, что хранится в файле, — это всего лишь один из его атрибутов.

Если следовать этой логике, один файл может иметь несколько вариантов содержимого. Таким образом, в одном файле можно хранить несколько версий одного документа, а также дополнительные данные (значок файла, связанная с файлом программа). Такая организация типична для HFS на Macintosh.

Основные функции файловых систем

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.

Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на нижеследующие категории.

• Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в несколько раз медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например, в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates — в BSD системах.
• Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
• Для оптических носителей — CD и DVD: ISO9660, HFS, UDF и др.
• Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
• Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.
• Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS, exFAT.
• Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMware VMFS (т. н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

Задачи файловой системы

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;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

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».

ФС позволяет оперировать не нулями и единицами, а более удобными и понятными объектами — файлами. Ради удобства в работе с файлами используются их символьные идентификаторы — имена. Само содержимое файлов записано в кластеры (clusters) — мельчайшие единицы данных, которыми оперирует файловая система, размер их кратен 512 байтам (512 байт — размер сектора жесткого диска, минимальной единицы данных, которая считывается с диска или записывается на диск). Для организации информации кроме имени файла используются также каталоги (или папки), как некая абстракция, позволяющая группировать файлы по определенному критерию. По своей сути каталог — это файл, содержащий информацию о как бы вложенных в него каталогах и файлах.

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (тома) — файловых справочниках. Структура этих справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы файлов и дополнительную информацию о них (дата изменения, права доступа, имя и т. д.) с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела (тома).

На жёстких дисках компьютеров под управлением систем семейства Windows используются два типа файловых систем: FAT (FAT16 и FAT32) и NTFS.

Литература

• Александр Толстой. Сравнение: Файловые системы // Linux Format. — 2015. — Декабрь (№ 12 (203)). — С. 22—27.
• Дэн Гукин. Компьютер для чайников