Файловая система. Типы файловых систем. Их особенности.

1. Структуры данных

 

Общее. В теории информатики определены следующие три основных типа структур данных – линейная, табличная, иерархическая. Пример книга: последовательность листов – линейная структура. Части, разделы, главы, параграфы – иерархия. Оглавление – таблица – связывает – иерархическую с линейной. У структурированных данных появляется новый атрибут - Адрес. И так:

 

1.1. Линейные структуры (списки, вектора). Обычные списки. Адрес каждого элемента однозначно определяется его номером. Если все элементы списка имеют равную длину – вектора данных.

1.2. Табличные структуры (таблицы, матрицы). Отличие таблицы от списка – каждый элемент – определяется адресом, состоящим не из одного, а нескольких параметров. Самый распространенный пример – матрица - адрес – два параметра – номер строки и номер столбца. Многомерные таблицы.

1.3. Иерархические структуры. Используются для представления нерегулярных данных. Адрес – определяется маршрутом – от вершины дерева. Файловая система – компьютера. (Маршрут может превысить – величину данных, дихотомия – всегда два разветвления – влево и вправо).

 

Упорядочение структур данных. Основной способ – сортировка.! При добавлении нового элемента в упорядоченную структуру – возможно изменения адреса у существующих. Для иерархических структур – индексация – каждому элементу уникальный номер – который далее используется в сортировке и поиске.

 

2. Основные элементы файловой системы

 

Историческим первым шагом в области хранения и управления данными стало использование систем управления файлами.

Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Три параметра:

 

· последовательность произвольного числа байтов,

· уникальное собственное имя (фактически – адрес).

· данные одного типа – тип файла.

 

Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа файла.

Первая, в современном понимании, развитая файловая система была разработана фирмой IBM для ее серии 360 (1965-1966 годы). Но в нынешних системах она практически не применяется. Использовала списочные структуры данных (ЕС- том, раздел, файл).

Большинство из Вас знакомо с файловыми системами современных ОС. Это прежде всего MS DOS, Windows, а некоторые с построением файловой системы для различных вариантов UNIX.

Структура файлов. Файл представляет совокупность блоков данных, размещенных на внешнем носителе. Для произведения обмена с магнитным диском на уровне аппаратуры нужно указать номер цилиндра, номер поверхности, номер блока на соответствующей дорожке и число байтов, которое нужно записать или прочитать от начала этого блока. Поэтому во всех файловых системах явно или неявно выделяется некоторый базовый уровень, обеспечивающий работу с файлами, представляющими набор прямо адресуемых в адресном пространстве блоков.

Именование файлов. Все современные файловые системы поддерживают многоуровневое именование файлов за счет поддержания во внешней памяти дополнительных файлов со специальной структурой - каталогов. Каждый каталог содержит имена каталогов и/или файлов, содержащихся в данном каталоге. Таким образом, полное имя файла состоит из списка имен каталогов плюс имя файла в каталоге, непосредственно содержащем данный файл. Разница между способами именования файлов в разных файловых системах состоит в том, с чего начинается эта цепочка имен. (Unix, DOS-Windows)

Защита файлов. Системы управления файлами должны обеспечивать авторизацию доступа к файлам. В общем виде подход состоит в том, что по отношению к каждому зарегистрированному пользователю данной вычислительной системы для каждого существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю. Существовали попытки реализовать этот подход в полном объеме. Но это вызывало слишком большие накладные расходы как по хранению избыточной информации, так и по использованию этой информации для контроля правомочности доступа. Поэтому в большинстве современных систем управления файлами применяется подход к защите файлов, впервые реализованный в ОС UNIX (1974). В этой системе каждому зарегистрированному пользователю соответствует пара целочисленных идентификаторов: идентификатор группы, к которой относится этот пользователь, и его собственный идентификатор в группе. Соответственно, при каждом файле хранится полный идентификатор пользователя, который создал этот файл, и отмечается, какие действия с файлом может производить он сам, какие действия с файлом доступны для других пользователей той же группы, и что могут делать с файлом пользователи других групп. Эта информация очень компактна, при проверке требуется небольшое количество действий, и этот способ контроля доступа удовлетворителен в большинстве случаев.

Режим многопользовательского доступа. Если операционная система поддерживает многопользовательский режим вполне реальна ситуация, когда два или более пользователей одновременно пытаются работать с одним и тем же файлом. Если все эти пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет. Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для корректной работы этой группы требуется взаимная синхронизация. Исторически в файловых системах применялся следующий подход. В операции открытия файла (первой и обязательной операции, с которой должен начинаться сеанс работы с файлом) помимо прочих параметров указывался режим работы (чтение или изменение). + имеется специальные процедуры синхронизации действий пользователей. Нельзя по записям!

 

3. Журналирование в файловых системах. Общие принципы.

 

Запуск проверки системы (fsck) на больших файловых системах может занять много времени, что очень плохо, учитывая сегодняшние высоко скоростные системы. Причиной, по которой целостность отсутствует в файловой системе, может являться не корректное размонтирование, например в момент прекращения работы на диск велась запись. Приложения могли обновлять данные, содержащиеся в файлах и система могла обновлять мета-данные файловой системы, которые являются «данными о данных файловой системы», иными словами, информация о том какие блоки связаны с какими файлами, какие файлы размещены в каких директориях и тому подобное. Ошибки (отсутствие целостности) в файлах данных – это плохо, но куда хуже ошибки в мета-данных файловой системы, что может привести к потерям файлов и другим серьезным проблемам.

Для минимизации проблем связанных с целостностью и минимизации времени перезапуска системы, журналируемая файловая система хранит список изменений, которые она будут проводить с файловой системой перед фактической записью изменений. Эти записи хранятся в отдельной части файловой системы, называемой «журналом» или «логом». Как только эти записи журнала (лога) безопасно записаны, журналируемая файловая система вносит эти изменения в файловую систему и затем удаляет эти записи из «лога» (журнала регистраций). Записи журнала организованы в наборы связанных изменений файловой системы, что очень похоже на то, как изменения добавляемые в базу данных организованны в транзакции.

Журналируемая файловая система увеличивает вероятность целостности, потому что записи в лог-файл ведутся до проведения изменений файловой системы, и потому что файловая система хранит эти записи до тех пор, пока они не будут целиком и безопасно применены к файловой системе. При перезагрузке компьютера, который использует журналируемую файловую систему, программа монтирования может гарантировать целостность файловой системы простой проверкой лог-файла на наличие ожидаемых, но не произведенных изменений и записью их в файловую систему. В большинстве случаев, системе не нужно проводить проверку целостности файловой системы, а это означает, что компьютер использующий журналируемую файловую систему будет доступен для работы практически сразу после перезагрузки. Соответственно шансы потери данных в связи с проблемами в файловой системе значительно снижаются.

Классический вид журналируемой файловой системы это хранение в журнале (логе) изменений метаданных файловой системы и хранение изменений всех данных файловой системы, включая изменения самих файлов.

 

4. Файловая система MS-DOS (FAT)

 

Файловая система MS-DOS представляет собой древовидную файловую систему для небольших дисков и простых структур каталогов, в корне которой находится корневой каталог, а листьями являются файлы и другие каталоги, возможно пустые. Размещение файлов под управлением этой файловой системы происходит по кластерам, размер которых может колебаться от 4 КБ до 64 КБ кратно 4, без использования свойства смежности смешанным способом выделения дисковой памяти. Например, на рисунке показано три файла. Файл File1.txt является достаточно большим: он задействует три следующих друг за другом блока. Небольшой файл File3.txt использует пространство только одного размещаемого блока. Третий файл File2.txt. является большим фрагментированным файлом. В каждом случае точка входа указывает на первый распределяемый блок, принадлежащий файлу. Если файл использует несколько распределяемых блоков, то предшествующий блок указывает на следующий в цепочке. Значение FFF отождествляется с концом последовательности.

Дисковый раздел FAT

Для эффективного доступа к файлам используется таблица размещения файлов – File Allocation Table, которая размещается в начале раздела (или логического диска). Именно от названия таблицы размещения и происходит название этой файловой системы – FAT. В целях защиты раздела на нем хранятся две копии FAT, на тот случай, если одна из них окажется поврежденной. Кроме того, таблицы размещения файлов должны размещаться по строго фиксированным адресам, чтобы файлы, необходимые для запуска системы, были размещены корректно.

Таблица размещения файлов состоит из 16-разрядных элементов и содержит следующую информацию о каждом кластере логического диска:

 

· кластер не используется;

· кластер используется файлом;

· плохой кластер;

· последний кластер файла;.

 

Так как каждому кластеру должен быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, то следовательно, FAT поддерживает максимально 216, или 65 536 кластеров на одном логическом диске (да еще некоторую часть кластеров резервирует для своих нужд). Таким образом получаем предельный размер диска, обслуживаемого MS-DOS, в 4 ГБ. Размер кластера можно увеличить или уменьшить в зависимости от размера диска. Однако, когда размер диска превышает некоторую величину, кластеры становятся слишком большого размера что ведет к внутренней дефрагментации диска. Кроме информации о файлах, в таблице размещения файлов может быть помещена информация и о каталогах. При этом каталоги рассматриваются как специальные файлы с 32-байтовыми элементами для каждого файла, содержащегося в этом каталоге. Корневой каталог имеет фиксированный размер – 512 записей для жесткого диска, а для дискет этот размер определяется объемом дискеты. Кроме того, корневой каталог расположен сразу же после второй копии FAT, поскольку в нем находятся файлы, необходимые загрузчику MS-DOS.

При поиске файла на диске MS-DOS вынуждена просматривать структуру каталога, чтобы найти его. Например, чтобы запустить исполняемый файл С:\Program\NC4\nc.exe находит исполнимый файл, выполнив следующие действия:

 

· читает корневой каталог диска C: и ищет в нем каталог Program;

· читает начальный кластер Program и ищет в этом каталоге запись о вложенном каталоге NC4;

· читает начальный кластер вложенного каталога NC4 и ищет в нем запись о файле nc.exe;

· читает все кластеры файла nc.exe.

 

Такой способ поиска не является самым быстрым среди действующих файловых систем. Причем, чем больше глубина каталогов, тем медленнее будет происходить поиск. Для ускорения операции поиска следует придерживаться сбалансированной файловой структуры.

Достоинства FAT

 

· Является лучшим выбором для логических дисков небольшого размера, т.к. стартует с минимальными накладными расходами. На дисках, размер которых не превышает 500 МБ, она работает с приемлемыми характеристиками.

 

Недостатки FAT

 

· Поскольку размер записи о файле ограничен 32 байтами, а информация должна включать в себя и размер файла и дату, и атрибуты и т.д., то размер под название файла также ограничен и не может превышать 8+3 символа на каждый файл. Использование так называемых коротких имен файлов делает FAT менее привлекательной для использования по сравнению с другими файловыми системами.

· Использование FAT на дисках, объем которых превышает 500 МБ нерационально по причине дефрагментации диска.

· Файловая система FAT не обладает никакими средствами защиты и поддерживает минимальные возможности по обеспечению безопасности информации.

· Скорость выполнения операций в FAT происходит обратно пропорционально глубине вложенности каталогов и объему диска.

 

 

5. Файловая система UNIX – систем (ext3)

 

Современная, мощная и бесплатная операционная система Linux предоставляет широкую территорию для разработки современных систем и пользовательского программного обеспечения. Некоторые из наиболее интересных разработок в недавних ядрах Linux это новые, высоко производительные технологии для управления хранением, размещением и обновлением данных на диске. Один из наиболее интересных механизмов – это файловая система ext3, которая интегрируется в ядро Linux начиная с версии 2.4.16, и уже доступна по умолчанию в Linux дистрибутивах от компаний Red Hat и SuSE.

Файловая система ext3 является журналируемой файловой системой, 100% совместимой со всеми утилитами созданными для создания, управления и тонкой настройки файловой системы ext2, которая используется в Linux системах несколько последних лет. Перед детальным описанием различий между файловыми системами ext2 и ext3, уточним терминологию файловых систем и хранения файлов.

На системном уровне, все данные на компьютере существуют как блоки данных на неком устройстве хранения, организованных с помощью специальных структур данных в разделы (логические наборы на устройстве хранения), которые в свою очередь организованы в файлы, директории и неиспользуемое (свободное) пространство.

Файловые системы созданы на разделах диска для упрощения хранения и организации данных в форме файлов и директорий. Linux, как Unix система, использует иерархическую файловую систему составленную из файлов и директорий, которые соответственно содержат либо файлы либо каталоги. Файлы и директории в файловой системе Linux становятся доступным пользователю путем их монтирования (команда «mount»), которая обычно является частью процесса загрузки системы. Список файловых систем доступных для использования хранится в файле /etc/fstab (FileSystem TABle). Список файловых систем не смонтированных в данные момент системой хранится в файле /etc/mtab (Mount TABle).

В момент монтирования файловой системы в процессе загрузки, бит в заголовке («чистый бит» / «clean bit») стирается, это означает что файловая система используется, и что структуры данных используемые для управления размещением и организации файлов и директорий, в данной файловой системы могут быть изменены.

Файловая система расценивается как целостная если все блоки данных в ней либо используются, либо свободны; каждый размещенный блок данных занят одним и только одним файлом или директорией; все файлы и директории могут быть доступны после обработки серии других директорий в файловой системе. Когда система Linux намеренно прекращает работу используя команды оператора, все файловые системы размонтируются. Размонтирование файловой системы в процессе завершения работы устанавливает «чистый бит» в заголовок файловой системы, указывая на то, что файловая система была размонтирована должным образом и, тем самым, может рассматриваться как целостная.

Года отладки и переработки файловой системы и использование улучшенных алгоритмов для записи данных на диск в большой степени уменьшили повреждение данных вызываемых приложениями или самим ядром Linux, но устранение повреждения и потери данных в связи с отключением питания и другими системными проблемами до сих пор является сложной задачей. В случае аварийной остановки или простого отключения Linux системы без использования стандартных процедур остановки работы «чистый бит» в заголовке файловой системы не устанавливается. При следующей загрузке системы, процесс монтировки обнаруживает, что система не маркирована как «чистая», и физически проверяет ее целостность использую Linux/Unix утилиту проверки файловой системы 'fsck' (File System ChecK).

Существует несколько журналируемых файловых систем доступных для Linux. Наиболее известные из них: XFS, журналируемая файловая система разработанная Silicon Graphics, но сейчас выпущенная открытым кодом (open source); RaiserFS, журналируемая файловая система разработанная специально для Linux; JFS, журналируемая файловая система первоначально разработанная IBM, но сейчас выпущенная как открытый код; ext3 – файловая система разработанная доктором Стефаном Твиди (Stephan Tweedie) в Red Hat, и несколько других систем.

Файловая система ext3 – это журналируемая версия Linux файловой системы ext2. Файловая система ext3 имеет одно значительно преимущество перед другими журналируемыми файловыми системами – она полностью совместима с файловой системой ext2. Это делает возможным использование всех существующих приложений разработанных для манипуляции и настройки файловой системы ext2.

Файловая система ext3 поддерживается ядрами Linux версии 2.4.16 и более поздними, и должна быть активизирована использованием диалога конфигурации файловых систем (Filesystems Configuration) при сборке ядра. В Linux дистрибутивы, такие как Red Hat 7.2 и SuSE 7.3 уже включена встроенная поддержка файловой системы ext3. Вы можете использовать файловую систему ext3 только в том случае, когда поддержка ext3 встроена в ваше ядро и у вас есть последние версии утилит «mount» и «e2fsprogs».

В большинстве случаев перевод файловых систем из одного формата в другой влечет за собой резервное копирование всех содержащихся данных, переформатирование разделов или логических томов, содержащих файловую систему, и затем восстановление всех данных на эту файловую систему. В связи с совместимостью файловых систем ext2 и ext3, все эти действия можно не проводить, и перевод может быть сделать с помощью одной команды (запущенной с полномочиями root):

 

# /sbin/tune2fs -j <имя-раздела >

 

Например, перевод файловой системы ext2 расположенной на разделе /dev/hda5 в файловую систему ext3 может быть осуществлен с помощью следующей комманды:

 

# /sbin/tune2fs -j /dev/hda5

 

Опция '-j' команды 'tune2fs' создает журнал ext3 на существующей ext2 файловой системе. После перевода файловой системы ext2 в ext3, вы так же должны внести изменения в записи файла /etc/fstab, для указания что теперь раздел является файловой системой 'ext3'. Так же вы можете использовать авто определение типа раздела (опция «auto»), но все же рекомендуется явно указывать тип файловой системы. Следующий пример файл /etc/fstab показывает изменения до и после перевода файловой системы для раздела /dev/hda5:

 

До:

 

/dev/ hda5     /opt ext2 defaults 1 2

 

После:

 

/dev/ hda5     /opt ext3 defaults 1 0

 

Последнее поле в /etc/fstab указывает этап в загрузке, во время которого целостность файловой системы должна быть проверена с помощью утилиты «fsck». При использовании файловой системы ext3, вы можете установить это значение в «0», как показано на предыдущем примере. Это означает что программа 'fsck' никогда не будет проверять целостность файловой системе, в связи с тем что целостность файловой системы гарантируется путем отката в журнале.

Перевод корневой файловой системы в ext3 требует особого подхода, и лучше всего его проводить в режиме одного пользователя (single user mode) после создания RAM диска поддерживающего файловую систему ext3.

Кроме совместимости с утилитами файловой системы ext2 и простым переводом файловой системы из ext2 в ext3, файловая система ext3 так же предлагает несколько различных типов журнилирования.

Файловая система ext3 поддерживает три различных режима журналирования, которые могут быть активированы из файла /etc/fstab. Эти режимы журналирования следующие:

 

· Журнал / journal – запись всех изменений данных файловой системы и мета-данных. Наиболее медленный из всех трех режимов журналирования. Этот режим минимизирует шанс потери изменений файлов которые вы проводите в файловой системе.

· Последовательный / ordered – записываются изменения только мета-данных файловой системы, но записывает обновления данных файла на диск перед изменениями ассоциируемых мета-данных файловой системы. Этот режим журналирования ext3 установлен по умолчанию.

· Обратная запись / writeback – записываются только изменения мета-данных файловой системы, основан на стандартном процессе записи изменений данных файлов. Это наиболее быстрый метод журналирования.

 

Различия между этими режимами журналирования одновременно и едва заметны, и основательны. Использование режима «журнал» требует, что бы файловая система ext3 записывала каждое изменение файловой системы дважды – первый раз в журнал, а затем в саму файловую систему. Это может снизить общую производительность вашей файловой системы, но этот режим наиболее любим пользователями, потому что он минимизирует шанс потери изменения данных ваших файлов, так как и изменения мета - данных и изменения данный файлов записывается в журнал ext3 и может быть повторено при перезагрузке системы.

Используя «последовательный» режим, записываются только изменения мета - данных файловой системы, что понижает избыточность между записью в файловую систему и в журнал, именно в связи с эти метод более быстрый. Не смотря на то, что изменения данных файла не записываются в журнал, они должны быть сделаны до изменений ассоциируемых мета - данных файловой системы, которые проводит журналирующий ext3 демон, что может немного снизить производительность вашей системы. Использование этого метода журналирования гарантирует что файлы в файловой системе никогда не будет рассинхронизированы со связанными мета-данными файловой системы.

Метод «обратная запись» наиболее быстрый, чем остальные два журналируемых метода, так как хранятся данные только о изменениях мета-данных файловой системы, и нет ожидания изменения ассоциируемых данных файла при записи (перед обновлением таких вещей как размер файла и информация о директории). Так как обновление данных файла производиться асинхронно по отношению к журналируемым изменениям мета-данных файловой системы, файлы в файловой системе могут показывать ошибки в мета-данных, например ошибка в указании владельца блоков данных (обновление которых к моменту перезагрузки системы было не закончено). Это не фатально, но может помешать пользователю.

Указание журналируемого режима, используемого в ext3 файловой системе производиться в файле /etc/fstab для этой файловой системы. «Последовательный» режим используется по умолчанию, но вы можете указать различные режимы журналирования, путем изменения опций для требуемого раздела в файле /etc/fstab. Например, запись в /etc/fstab указывающая на использование режима журналирования «обратная запись» будет выглядеть следующим образом:

 

/dev/hda5 /opt ext3 data=writeback 1 0

 

6. Файловая система семейства Windows NT (NTFS)

 

6.1. Физическая структура NTFS

 

Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники - при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.

Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы:) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного "ограничения" на размер NTFS при установке.:)

 

6.2. Структура раздела - общий взгляд

 

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону - пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

 

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается... Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

 

6.3. MFT и его структура

 

Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности (они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, "зацепившись" за самую основу - за первый элемент MFT.

 

 

6.3.1.Метафайлы

 

Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости - например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT.

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени "$", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер - можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.

 

$MFT	сам MFT
$MFTmirr	копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска
$LogFile	файл поддержки журналирования (см. ниже)
$Volume	служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д.
$AttrDef	список стандартных атрибутов файлов на томе
$.	корневой каталог
$Bitmap	карта свободного места тома
$Boot	загрузочный сектор (если раздел загрузочный)
$Quota	файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5)
$Upcase	файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

 

6.3.2.Файлы и потоки

 

Итак, у системы есть файлы - и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?

 

· Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.

· Опциональный элемент - потоки данных файла. Может показаться странным определение "опциональный", но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных - в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего "физического" воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT.

 

Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение - у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей - например, файлу можно "прилепить" еще один поток, записав в него любые данные - например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS - это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла - 255 символов.

 

6.4. Каталоги

 

Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Вот что это означает: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом - с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя - выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы, скажем, просто отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом - сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.

Вывод - для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева - всего около 10-ти (2^10 = 1024). Экономия времени поиска налицо. Не стоит, однако думать, что в традиционных системах (FAT) всё так запущено: во-первых, поддержание списка файлов в виде бинарного дерева довольно трудоемко, а во-вторых - даже FAT в исполнении современной системы (Windows2000 или Windows98) использует сходную оптимизацию поиска. Это просто еще один факт в вашу копилку знаний. Хочется также развеять распространенное заблуждение (которое я сам разделял совсем еще недавно) о том, что добавлять файл в каталог в виде дерева труднее, чем в линейный каталог: это достаточно сравнимые по времени операции - дело в том, что для того, чтобы добавить файл в каталог, нужно сначала убедится, что файла с таким именем там еще нет:) - и вот тут-то в линейной системе у нас будут трудности с поиском файла, описанные выше, которые с лихвой компенсируют саму простоту добавления файла в каталог.

 

Какую информацию можно получить, просто прочитав файл каталога? Ровно то, что выдает команда dir. Для выполнения простейшей навигации по диску не нужно лазить в MFT за каждым файлом, надо лишь читать самую общую информацию о файлах из файлов каталогов. Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

 

6.5. Журналирование

 

NTFS - отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция - действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний - квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разруше