Операционные системы среды и оболочки 02_Файловые системы Григорьев

Операционные системы, среды и оболочки 02_Файловые системы Григорьев А. С. agrigoriev@mfpa. ru

Определение ФС • Файловая система - порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации.

Определение ФС • Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов и папок.

Определение ФС • Конкретная файловая система определяет: – размер имени файла (папки); – максимальный возможный размер файла – максимальный возможный размер раздела; – набор атрибутов файла. – разграничение доступа; – шифрование файлов.

Классификация файловых систем • Для носителей доступом: – FAT 32 – HPFS – ext 2 – HFS+ – NTFS и др. с произвольным

Классификация файловых систем • Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. • Так же применяется журналирование, например в ext 3, Reiser. FS, JFS, NTFS, XFS и HFS+.

Классификация файловых систем • Журналируемая файловая система — файловая система, в которой осуществляется ведение журнала, хранящего список изменений и помогающего сохранить целостность файловой системы при сбоях.

Классификация файловых систем • Журналируемая файловая система сохраняет список изменений, которые она будет проводить с файловой системой, перед фактическим их осуществлением. • Эти записи хранятся в отдельной части файловой системы, называемой журналом (англ. journal) или логом (англ. log). • Как только изменения файловой системы внесены в журнал, она применяет эти изменения к файлам или метаданным, а затем удаляет эти записи из журнала.

Классификация файловых систем • При перезагрузке компьютера программа монтирования может гарантировать целостность журналируемой файловой системы простой проверкой лог-файла на наличие ожидаемых, но не произведённых изменений и последующей записью их в файловую систему.

Классификация файловых систем • Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Классификация файловых систем • Для оптических CD и DVD: – ISO 9660; – HFS; – UDF и др. носителей —

Внутреннее устройство НЖМД • Объемы жестких дисков стремительно растут, а их надежность неуклонно падает. С одной стороны, поджимает плотность записи, с другой — конкуренция. • Повсеместно применяются дешевые комплектующие и "сырые" технические решения, обкатывать которые приходится потребителям.

Внутреннее устройство НЖМД • Физически жесткий диск представляет собой запечатанный корпус, содержащий одну или несколько одно- или двусторонних пластин, насаженных на шпиндель. • Чтение и запись данных осуществляются блоком магнитных головок, каждая из которых обслуживает одну из поверхностей пластины.

Внутреннее устройство НЖМД • Информация хранится на дорожках в форме концентрических колец, называемых треками (track). • Треки, расположенные на равном расстоянии от центра всех пластин, образуют цилиндр (cylinder). • Фрагмент трека, образованный радиальным делением, называется сектором (sector).

Внутреннее устройство НЖМД • В современных винчестерах количество секторов на трек не остается постоянным. • Напротив, оно дискретно возрастает по мере удаления от центра пластины, таким образом, чтобы линейные размеры сектора оставались более или менее постоянными.

Внутреннее устройство НЖМД • Треки и головки нумеруются, начиная с нуля, а нумерация секторов начинается с единицы. • Размер сектора для жестких дисков составляет 512 байт.

Внутреннее устройство НЖМД • Первой схемой адресации секторов, доставшейся жестким дискам в наследство от дискет, стала так называемая CHSадресация, представляющая собой сокращение от Cylinder/Head/Sector (Цилиндр/Головка/Сектор). • Данная схема адресации возникла под давлением экономических причин.

Внутреннее устройство НЖМД • Когда-то координаты адресуемого сектора непосредственно соответствовали физической действительности, что упрощало и удешевляло дисковый контроллер, не требуя от него никакого интеллектуального поведения. • Дешевизна контроллера является единственным преимуществом данного метода. Эта схема адресации очень неудобна для программистов.

Внутреннее устройство НЖМД

Внутреннее устройство НЖМД • Жесткий диск состоит из гермоблока и платы электроники. • В гермоблоке расположены: – шпиндельный двигатель; – блок магнитных головок (БМГ); – предусилитель-коммутатор чтения/записи, смонтированный в микросхеме, расположенной либо непосредственно на БМГ, либо на отдельной плате рядом с ней;

Внутреннее устройство НЖМД

Внутреннее устройство НЖМД • Жесткий диск состоит из гермоблока и платы электроники. • Плата электроники содержит: – контроллер шпиндельного двигателя и звуковой катушки; – канал чтения/записи; – микроконтроллер; – контроллер диска.

Внутреннее устройство НЖМД

Внутреннее устройство НЖМД Гермоблок: • Шпиндельный двигатель - вращает пакет из одного или нескольких магнитных дисков; • Блок магнитных головок (БМГ), который ранее управлялся шаговым электродвигателем, а теперь работает под управлением устройства, известного как "звуковая катушка" (voice coil); • Предусилитель-коммутатор чтения/записи, смонтированный в микросхеме, расположенной либо непосредственно на БМГ, либо на отдельной плате рядом с ней.

Внутреннее устройство НЖМД Плата электроники: • Контроллер шпиндельного двигателя и звуковой катушки управляет вращением пакета дисков и позиционированием головок; • Канал чтения/записи – используется для передачи данных; • Микроконтроллер - является, по сути, "сердцем" винчестера; • Контроллер диска - отвечает за обслуживание интерфейса ATA.

NTFS • NTFS (от англ. New Technology File System — «файловая система новой технологии» ) — стандартная файловая система для семейства ос MS Windows.

NTFS • Основополагающие концепции: – главная файловая таблица (MFT); – Файловые записи; – Последовательности обновления; – Атрибуты или потоки (streams); – Отрезки (data runs).

NTFS • Файловая система NTFS это сложная реляционная база данных, обескураживающая грандиозностью своего архитектурного замысла не одно поколение начинающих исследователей. • NTFS похожа на огромный, окутанный мраком лабиринт, в котором очень легко заблудиться.

NTFS Версии NTFS Версия NTFS Операционная система Условное обозначение 1. 2 Windows NT NT 3. 0 Windows 2000 W 2 K 3. 1 Windows XP XP

NTFS • Основным структурным элементом всякой файловой системы является том (volume), в случае с FAT совпадающий с разделом (partition). • NTFS поддерживает тома, состоящие из нескольких разделов.

NTFS

NTFS • Большинство файловых систем трактуют том как совокупность файлов, свободного дискового пространства и служебных структур файловой системы. • Но в NTFS все служебные структуры представлены файлами, которые (как это и положено файлам) могут находиться в любом месте тома, при необходимости фрагментируя себя на несколько частей.

NTFS • Основным служебным файлом является главная файловая таблица, $MFT (Master File Table) — своеобразная база данных, хранящая информацию обо всех файлах тома — их именах, атрибутах, способе и порядке размещения на диске.

NTFS • Каталог также является файлом особого типа, со списком принадлежащих ему файлов и вложенных подкаталогов. • Важно подчеркнуть, что в MFT присутствуют все файлы, находящиеся во всех подкаталогах тома.

NTFS • Остальные служебные файлы, называемые метафайлами (metafiles) или метаданными (metadata), всегда имеют имена, начинающиеся со знака доллара ($), и носят сугубо вспомогательный характер, интересный только самой файловой системе.

NTFS • К ним относятся: – $Log. File — файл транзакций; – $Bitmap — карта свободного/занятого пространства; – $Bad. Clust — перечень плохих кластеров.

NTFS • Классическое определение, говорит о том, что файл это именованная запись на диске. • Большинство современных файловых систем добавляет к этому понятие атрибута (attribute) — некоторой вспомогательной характеристики, описывающей время создания, права доступа и т. д.

NTFS • В NTFS имя файла, данные файла и его атрибуты полностью уравнены в правах. • Т. е. всякий файл NTFS представляет собой совокупность атрибутов, каждый из которых хранится как отдельный поток байтов. • Поэтому атрибуты, хранящие данные файла, часто называют потоками (streams).

NTFS • Каждый атрибут состоит из тела (body) и заголовка (header). Атрибуты подразделяются на резидентные (resident) и нерезидентные (non-resident). • Резидентные атрибуты хранятся непосредственно в $MFT, что существенно уменьшает грануляцию дискового пространства и сокращает время доступа. • Нерезидентные атрибуты хранят в $MFT лишь свой заголовок, описывающий порядок размещения атрибута на диске.

NTFS • Назначение атрибута определяется его типом (type), представляющим собой четырехбайтное шестнадцатеричное значение. При желании атрибуту можно дать еще и имя (name), состоящее из символов, входящих в соответствующее пространство имен (namespace).

NTFS • Изначально в NTFS была заложена способность индексации любых атрибутов, значительно сокращающая время поиска файла по заданному списку критериев (например, времени последнего доступа). • Индексы хранятся в виде двоичных деревьев.

NTFS Главная файловая таблица • В процессе форматирования логического раздела в его начале создается так называемая зона MFT. • По умолчанию она занимает 12, 5% от емкости тома.

NTFS Главная файловая таблица

NTFS Главная файловая таблица • В этой области расположен файл $MFT, изначально занимающий порядка 64 секторов и растущий от начала зоны MFT к ее концу по мере создания новых пользовательских файлов и каталогов. • Чем больше файлов содержится на томе, тем больше размер $MFT.

NTFS Главная файловая таблица • Приблизительный размер файла MFT можно оценить по следующей формуле: sizeof (FILE Record) * N Files • где sizeof(FILE Record) обычно составляет 1 Кбайт, а N Files — полное количество файлов и подкаталогов раздела, включая недавно удаленные.

NTFS Главная файловая таблица • Для предотвращения фрагментации файла $MFT зона MFT удерживается зарезервированной вплоть до полного исчерпания свободного пространства тома, затем незадействованный "хвост" зоны MFT усекается в два раза, освобождая место для пользовательских файлов. • Этот процесс может повторяться многократно, вплоть до полной отдачи всего зарезервированного пространства.

NTFS Главная файловая таблица • Когда файл $MFT достигает границ зоны MFT, в ходе своего последующего роста он неизбежно фрагментируется, вызывая обвальное падение производительности файловой системы. • При этом стоит заметить, что подавляющее большинство дефрагментаторов файл $MFT не обрабатывают!

NTFS Главная файловая таблица • Утилиту дефрагментации файла $MFT, а также подробное описание принципов ее работы, можно найти на сайте Марка Руссиновича http: //www. sysinternals. com). ( Но, как бы там ни было, заполнять том более чем на 88% его емкости категорически не рекомендуется!

NTFS Главная файловая таблица • При удалении файла или каталога соответствующая ему файловая последовательность помечается как неиспользуемая. • При создании новых файлов записи, помеченные как неиспользуемые, могут задействоваться вновь.