Лекция "Логическая и физическая организация файловых систем"

Логическая и физическая организация файловых систем тема 3 вопрос 12 Одной   из   основных   задач   операционной   системы   является   предоставление   удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью. Базовым элементом этой модели является файл, который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой. Файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, обычно – на магнитных   дисках.   Исключением   является   электронный   диск,   когда   в   оперативной   памяти создается структура, имитирующая файловую систему. Основными целями использования файла являются: • Долговременное и надежное хранение информации. Долговременность достигается за счет  использования  запоминающих  устройств,  не зависящих  от  питания, а  высокая  надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах. • Совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом   создатель   файла   или   администратор   могут   определить   права   доступа   к   нему   других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой. Файловая система (ФС) – это часть операционной системы, включающая: • • совокупность всех файлов на диске; наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги   файлов,   дескрипторы   файлов,   таблицы   распределения   свободного   и   занятого пространства на диске; • комплекс   системных   программных   средств,   реализующих   различные   операции   над файлами, такие, как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов. Файловая   система   распределяет   дисковую   память,   поддерживает   именование   файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным,   поддерживает   разделение,   защиту   и   восстановление   файлов.Таким   образом,   файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного   хранилища   данных,   и   создающего   для   программ   более   простую   логическую модель этого хранилища. Задачи, решаемые  ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип – это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС, к числу которых относится, например, MS­DOS. Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач: • • • именование файлов; программный интерфейс для приложений; отображение   логической   модели   файловой   системы   на   физическую   организацию хранилища данных; • устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств. Типы файлов Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы­каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы и другие. Обычные  файлы,   или   просто  файлы,   содержат   информацию   произвольного   характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных ипользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows,   OS/2)   никак   не   ограничивает   и   не   контролирует   содержимое   и   структуру   обычного файла.   Содержание   обычного   файла   определяется   приложением,   которое   с   ним   работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представ­ ленных в каком­либо коде.  Каталоги  – это особый тип файлов, которые содержат системную справочную   информацию   о   наборе   файлов,   сгруппированных   пользователями   по   какому­либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для   управления   файлами  Специальные   файлы  –   это   фиктивные   файлы,   ассоциированные   с устройствами ввода­вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода­ вывода   посредством   обычных   команд   записи   в   файл   или   чтения   из   файла.   Эти   команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса   преобразуются   операционной   системой   в   команды   управления   соответствующим устройством.  Иерархическая структура файловой системы Пользователи   обращаются   к   файлам   по   символьным   именам.   Однако   способности человеческой   памяти   ограничивают   количество   имен   объектов,   к   которым   пользователь   может обращаться   по   имени.   Иерархическая   организация   пространства   имен   позволяет   значительно расширить   эти   границы.   Именно   поэтому   большинство   файловых   систем   имеет   иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня . Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 19, б), и сеть – если файл может входить сразу в несколько каталогов   Имена файлов Все   типы   файлов   имеют   символьные   имена.   В   иерархически   организованных   файловых системах  обычно используются  три типа имен  файлов: простые, составные и  относительные. в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов. Монтирование В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств. Даже типичный   персональный   компьютер   обычно   имеет   один   накопитель   на   жестком   диске,   один накопитель на гибких дисках и накопитель для компакт­дисков. Мощные же компьютеры, как правило,   оснащены   большим   количеством   дисковых   накопителей,   на   которые   устанавливаются пакеты дисков. Более того, даже одно физическое устройство с помощью средств операционной системы может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности путем разбиения   дискового   пространства   на   разделы.   Возникает   вопрос,   каким   образом   организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти? Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается автономная файловая система, т. е. файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются деревом каталогов, никак не связанным   с   деревьями   каталогов   на   других   устройствах.   В   таком   случае   для   однозначной идентификации   файла   пользователь   наряду   с   составным   символьным   именем   файла   должен указывать идентификатор логического устройства. Примером такого автономного существования файловых систем является операционная система MS­DOS, в которой полное имя файла включает буквенный идентификатор логического диска. Так, при обращении к файлу, расположенному на диске А, пользователь должен указать имя этого диска: A:\privat\letter\uni\let1.doc. Другим вариантом является такая организация хранения файлов, при которой пользователю предоставляется возможность объединять файловые системы, находящиеся на разных устройствах,в единую файловую систему, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием. Рассмотрим, как осуществляется эта операция на примере ОС UNIX. После   монтирования   общей   файловой   системы   для   пользователя   нет   логической   разницы между   корневой   и   смонтированной   файловыми   системами,   в   частности,   именование   файлов производится так же, как если бы она с самого начала была единой.