Файловые системы — это системы, которые определяют и контролируют правила хранения и наименования данных на информационных носителях.
Введение
Рядовым пользователям компьютерного оборудования иногда необходимо использовать понятие, именуемое выбором файловой системы. Как правило, это бывает, когда необходимо отформатировать внешние накопители, установить операционную систему, восстановить данные на проблемных носителях, включая и жесткие диски. Пользователям Windows может быть предложено выбрать тип файловой системы, например, FAT32 или NTFS, и метод форматирования (быстрое или глубокое), а также дополнительно может быть предложено выбрать размер кластера. Если используются другие операционные системы, например, Linux или macOS, то и наименования файловых систем могут быть другими.
Характеристики файловых систем
Как правило, весь набор информации должен записываться, храниться и обрабатываться на разных цифровых носителях в форме файлов, которые в зависимости от типа файла кодируется в виде различных расширений, таких как, exe, doc, *pdf и так далее. Операционной системой физический диск, предназначенный для хранения информации, воспринимается как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы способны организовать кластеры в файлы и каталоги, которые тоже считаются файлами, которые содержат перечень других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы могут отслеживать, какие из кластеров на текущий момент задействованы, какие являются свободными, а какие помечены как дефектные.
Для того чтобы осуществить запись файлов значительного объема, необходимо использовать фрагментацию, то есть, не сохранять файлы в виде целых единиц, а делить их на фрагменты. Все фрагменты должны записываться в отдельные кластеры, которые состоят из ячеек, а размер каждой ячейки равняется одному байту. Информация о каждом фрагменте, как части единого файла, должна храниться в файловой системе.
Файловая система призвана связать носитель информации, являющийся хранилищем, с прикладным программным обеспечением, путем организации доступа к конкретным файлам с помощью функционала взаимодействия программ API (Application programming interface). Программы, при обращениях к файлу, располагают данными только о его имени, размере и атрибутах. Вся остальная информация, которая касается типа носителя с записанным на нем файлом и структуры хранения данных, может быть получена из драйвера файловой системы.
На физическом уровне драйверы файловой системы могут оптимизировать процессы записи и считывания отдельных частей файлов для ускорения обработки запросов, фрагментации и «склеивания» находящейся в ячейках информации. Этот алгоритм используется практически во всех популярных файловых систем на концептуальном уровне в форме иерархической структуры представления метаданных (B-trees).
Эта технология может снизить число самых длительных дисковых операций, а именно, позиционирование головок при чтении произвольных блоков. Это способно не только оптимизировать обработку запросов, но и увеличить срок службы жесткого диска. В варианте с твердотельными накопителями, в которых принцип записи, хранения и считывания информации отличается от используемого в жестких дисках, ситуация с выбором оптимальной файловой системы обладает своими нюансами.
Файловая система должна отвечать за оптимальное логическое распределение информации на конкретном физическом носителе. Драйвер файловой системы должен организовать взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильность выбора файловой системы для конкретных пользовательских задач определяет скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, которые необходимы для безотказной работы любой компьютерной системы. Другими словами, это набор условий и правил, которые определяют метод организации файлов на информационных носителях.
Ключевые функции файловой системы:
- Осуществление размещения и упорядочивания на носителях данных в виде файлов.
- Определение максимального поддерживаемого объема данных на информационном носителе.
- Создание, чтение и удаление файлов.
- Назначение и изменение атрибутов файлов, а именно, размера, времени создания и изменения, владельца и создателя файла, доступа только для чтения и тому подобное.
- Определение структуры файла.
- Поиск файлов.
- Создание каталогов для логической организации файлов.
- Защита файлов при системных сбоях.
- Организация защиты файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.
В число задач, решаемых файловой системой, входят следующие:
- Выполнение присвоения имен файлам.
- Организация программного интерфейса работы с файлами для приложений.
- Возможность отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных.
- Возможность поддержки устойчивости файловой системы к вероятным сбоям питания, ошибкам аппаратного и программного обеспечения.
- Назначение параметров файла, которые необходимы для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и прочие).
В многопользовательской системе должна быть реализована защита файлов от несанкционированного доступа, а также должна быть обеспечена возможность совместной работы. Кода один из пользователей открывает файл, то для других пользователей этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».
Вся информация о файлах должна храниться в специальных зонах раздела (томах). Структура справочников определяется типом файловой системы. Справочник файлов может позволить связать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, которое хранится в другой области раздела.
