Устройство файловой системы windows

Windows, как и любая другая операционная система, поддерживает работу с разнообразными файловыми системами. Каждая из них предусматривает свои ключевые особенности и нюансы, о которых необходимо знать каждому ПК-пользователю.

Далее предстоит изучить файловые системы Windows. Необходимо выяснить, что они собой представляют, какими бывают, для чего используются. Особое внимание будет уделено NTFS как наиболее распространенной файловой системе. Информация, представленная далее, рассчитана на широкую публику. Она пригодится и обычному ПК-пользователю, и IT-специалисту.

Файловая система – это…

Данные обычно записываются, хранятся, обрабатываются на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа того или иного документа, осуществляется кодирование в виде знакомых каждому расширений – .exe, .pdf, .doc и других, а затем производится его открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении.

Файловая система (file system или ФС) – это порядок, определяющий способ хранения, организации и именования данных на информационных носителях компьютеров и другого оборудования. Она будет определять формат содержимого, а также способ физического хранения данных, которые группируются в файлы.

Файловая система используется для связи хранилища (информации) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным документам через функционал взаимодействия программ API. Приложение, при обращении к файлам, знает только их имена, атрибуты и размеры. Все остальные сведения относительно типа носителя, на котором записан обрабатываемый документ, а также информация о структуре хранения данных, может быть получена от драйвера файловой системы.

Основные функции

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение данных на определенном физическом носителе. Ее драйвер организует взаимодействие между:

• информационным хранилищем;
• операционной системой;
• прикладным программным обеспечением.

Грамотный выбор файловой системы для определенных пользовательских задач оказывает прямое воздействие на скорость обработки данных, принципы распределения и иные функциональные возможности, необходимые для стабильной работы компьютерных систем.

К основным функциям файловых систем относят:

• определение максимального объема данных, который может поддерживать тот или иной информационный носитель;
• создание, чтение и удаление файлов;
• поиск документов;
• определение структуры файла;
• организация каталогов;
• защита документов от системных сбоев и попыток получения несанкционированного доступа;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размера, времени создания/изменения, владельца и создателя документа, максимальная длина имени файла и так далее);
• размещение и упорядочивание информации в виде файлов на выбранном носителе.

Эти функции характерны не только файловой системе NTFS, но и другим ФС. Другие функции рассматриваемый элемент не выполняет.

Задачи файловой системы

Функциональные возможности файловых систем направлены на решение определенного спектра задач. К ним относят:

• присвоение документам имен;
• поддержка устойчивости системы файлов ко всевозможным ошибкам и сбоям;
• содержание параметров документа, необходимых для корректного взаимодействия с другими объектами системы (ядром, приложениями и так далее);
• формирование программного интерфейса для взаимодействия приложений с документами;
• отображение логической модели файловой системы на физическую организацию информационного хранилища.

Во многопользовательских системах обеспечивается защита файлов от несанкционированного доступа, а также предоставляются возможности для совместной работы. Если один документ открыт пользователем, для других он будет временно доступен в режиме «только для чтения».

Все данные о файлах хранятся в специальных областях раздела – томах. Их структура полностью зависит от типа используемой файловой системы. Справочник файлов дает возможность ассоциировать числовые идентификаторы уникальных документов и дополнительные сведения о них с непосредственным содержимым файла, находящегося в другом области тома.

У операционных систем Windows встречаются различные файловые системы. К ним можно отнести:

• NTFS;
• FAT;
• ReFS.

Далее каждая из них будет рассмотрена более подробно. Особое внимание предстоит уделить файловой системе NTFS.

FAT – таблица распределения файлов

FAT – это самая первая ФС, которая появилась в Windows. Она была разработана по договоренности Билла Гейтса с первым наемным сотрудником Microsoft Марком Макдональдом в 1977 году. Ключевой задачей FAT стала работа с информацией в Microsoft 8080/x80 на базе платформы MDOS/MIDAS.

FAT перетерпела за время своего существования несколько модификаций: FAT12, FAT16, FAT32. Последняя до сих пор используется на большинстве внешних накопителей. Модификации отличаются друг от друга объемом доступной для хранения информации. Цифры 12, 16 и 32 указывают на количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы.

FAT32 – это фактический стандарт в Windows. Он устанавливается на большинстве сменных носителей по умолчанию. FAT32 может использоваться не только на современных компьютерах, но и на устаревшем оборудовании/консолях, оснащенных USB-разъемом.

FAT32 предусматривает логическое разделение на три области:

• табличная форма указателей;
• место, зарезервированное для служебных структур;
• непосредственное пространство записи содержимого документов.

Пользуясь файловой системой FAT32, необходимо помнить о недостатке этого стандарта – ограничение размера документов на диске до 4 Гб, а всего раздела – до 8 Гб. Из-за соответствующей особенности FAT32 обычно устанавливается на USB-накопители и иные внешние информационные хранилища.

Для устранения ограничений упомянутого стандарта Microsoft создали обновленную файловую систему – exFAT. Она дает возможность хранить документы большего размера. Число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение файлов, здесь значительно снижено. Стандарт exFAT поддерживает совместимость с Android, macOS, Windows. Для Linux необходимо воспользоваться вспомогательным программным обеспечением.

ReFS

ReFS – это свежая разработка от компании Microsoft. Она доступна для серверов Windows 8 и 10. Архитектура тут представлена преимущественно в виде B + -tree. ReFS обладает высокой отказоустойчивостью. Это обусловлено наличием следующих функций:

• Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не будут изменяться без копирования;
• информация записывается на новое дисковое пространство, а не поверх существующих документов;
• при модификации новая копия хранится на свободном дисковом пространстве, после чего система формирует ссылку из метаданных на новую версию.

ReFS – это файловая система, которая обеспечивает надежное хранение документов. А еще – гарантирует быстрое и легкое восстановление данных в случае необходимости.

NTFS

NTFS – это файловая система новой технологии. Стандарт, который достоин более детального изучения. Он был разработан с целью устранения недостатков FAT.

Первая реализация NTFS встретилась в Windows NT в 1995 году. С тех пор она используется в качестве основной файловой системы семейства Windows. Этот стандарт может расширить максимальный размер файла до 16 ГБ. NTFS поддерживает возможность формирования разделов диска до 16 Эб.

Свойства

NTFS – это файловая система, которая поддерживает следующие свойства:

• работа с большими документами;
• надежность за счет использования журналирования;
• простая процедура восстановления данных;
• управление доступом и безопасностью;
• поддержка шифрования и сжатия;
• поддержка дополнительных атрибутов.

Все эти особенности будут рассмотрены далее более подробно. Они помогут лучше изучить файловую систему NTFS и ее особенности.

Структура

NTFS предусматривает следующую структуру:

1. Загрузочный сектор. Это самый первый сектор на диске. Он включает в себя информацию о файловой системе, а также позволяет операционной системе запуститься на устройстве. поддерживает код загрузчика и таблицу разделов.
2. Мастер файловой таблицы (MFT). Так называется центральная структура NTFS, включающая данные обо всех файлах и папках на диске. Каждый документ и каталог предусматривают наличие собственной записи в MFT, которая содержит метаданные: имя файла, атрибуты, ссылки на физические блоки информации.
3. Атрибуты файлов и папок. В NTFS они используются для хранения дополнительных данных о файлах и папках. Пример – информация о владельце документа, времени создания и изменения, пользовательские сведения. За счет соответствующей особенности NTFS получает инструменты гибкого управления и организации файлов.
4. Аллокационные единицы (кластеры). Они представлены информационными блоками, на которые разбивается диск. Каждый кластер NTFS обладает фиксированным размером и содержит данные документов или метаданные. Изучаемый стандарт задействует алгоритмы сжатия и фрагментации для эффективного использования дискового пространства.
5. Журнал файловой системы (NTFS journal). Представлен механизмом, записывающим любые изменения, происходящие в пределах используемого диска. С его помощью удастся восстановить файловую систему NTFS при сбоях и ошибках. Журнал также отвечает за целостность данных и защиту от информационных потерь.

Такой состав NTFS позволяет обеспечить эффективное управление данными и возможность их восстановления, а также обезопасить имеющиеся документы. Windows за счет NTFS будет эффективно работать с имеющимися элементами и папками, обеспечивая высокий уровень производительности и надежности.

Журналирование

NTFS использует журналирование. Оно присуще всем современным операционным системам. За счет журналирования NTFS и другие ФС при системной сбое или аварийном завершении работы можно восстановить до последнего рабочего состояния. Документы утрачены не будут.

Работа с информацией за счет журналирования в NTFS осуществляется по принципу транзакций: операция будет совершена полностью или не совершаться вовсе. Примером может послужить запись системного документа на диск. Компьютер с NTFS создает пометки в метафайле MFT и ведет мини-журнал процесса копирования. Это происходит до тех пор, пока документ не будет записан полностью на необходимый раздел диска. Если устройство в процессе записи перезагружается, при следующем включении система обратится к журналу NTFS, узнает о совершенных и несовершенных транзакция, а затем оставит лишь те, что помечены как завершенные. Остальные транзакции вычеркиваются, а файлы удаляются или возвращаются на место.

Такая схема эффективна только с системными документами. Это связано с тем, что пользовательская информация может быть повреждена или вовсе удалиться при системном сбое. NTFS и другие использующие журналирование стандарты допускают проверку при помощи контрольных точек восстановления – их компьютер создает время от времени. Соответствующие точки можно использовать для отказа до прежних состояний ОС.

Шифрование

Шифрование – это отдельная надстройка над ФС устройства. Она дает возможность закрыть пользовательские данные от посторонних практически на аппаратном уровне. В NTFS шифрование имеет значимую роль. Защищенные таким образом файлы не получится просмотреть на другом компьютере, а также после смены операционной системы или материнской платы.

NTFS в Windows формирует ключи и сертификаты, актуальные только для той сборки системы, на которой было подключено соответствующее шифрование. Рассматриваемый стандарт также выделяется:

• поддержкой крупных томов и документов;
• несколькими уровнями безопасности;
• возможностью сжатия;
• поддержкой огромного количества файлов;
• возможностью распределения прав доступа.

NTFS ориентирована на работу с операционной системой, а также на взаимодействие с носителями с большим объемом и несколькими разделами.

Преимущества и недостатки NTFS

NTFS – стандарт организации файлов и папок, который предусматривает следующие преимущества:

1. Надежность. NTFS гарантирует целостность информации и высокую надежность.
2. Огромные возможности хранения. Стандарт поддерживает большие размеров документов и разделов: 16 Эб и 256 Тб соответственно.
3. Безопасность.
4. Управление дисками. NTFS позволяет организовать эффективное управление жестким диском и его разделами. У него есть функции динамического разделения дискового пространства, сжатия файлов и создания теневых копий.
5. Поддержка многопользовательской среды.

Изучая информацию о файловой системе NTFS, необходимо обратить внимание и на ее недостатки. К ним можно отнести:

1. Скорость работы. NTFS может работать чуть медленнее, чем другие файловые системы.
2. Сложность. Структура и механизмы стандарта более сложные. За счет этого у пользователей могут возникать проблемы в процессе отладки и восстановления данных.
3. Совместимость. У NTFS нет полной совместимости с отдельными операционными системами. Из-за соответствующей особенности не исключены проблемы при обмене документами между разными ОС.

Несмотря на это, NTFS пользуется спросом в Windows. Лучше изучить особенности этого стандарта помогут дистанционные компьютерные курсы. Они рассчитаны на срок от нескольких месяцев до года. Весь образовательный процесс сопровождается богатой практикой и формированием портфолио. В конце курса каждый успешно завершивший его получит электронный сертификат, подтверждающий приобретенные навыки и знания.

Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus! 

Представляет собой запоминающее устройство с несколькими круглыми жесткими пластинами покрытыми слоем ферромагнитного материала расположенные на одной оси привода и с подвижными считывающими головками. В работе жесткого диска (винчестера) используется принцип магнитной записи. Мы не будем углубляться в устройство и работу жестких дисков, а рассмотрим в общих чертах файловую систему компьютера.

Файловая система компьютера (ФС) — описание способа хранения, распределения, наименования и обеспечения доступа к информации, хранящейся на жестком диске компьютера. Именно файловая система жесткого диска определяет правила наименования файлов и каталогов, ограничения на максимальные размеры файла и раздела, длину имени файла, максимальный уровень вложенности каталогов и другие моменты. Кстати, максимальный размер файла в файловой системе FAT32 составляет 4 Гбайта.

В ОС Windows наиболее распространенной на сегодняшний день является файловая система NTFS, заменившая устаревшую файловую систему FAT. Именно файловую систему NTFS лучше всего использовать на сегодняшний день. Чтобы жесткий диск можно было использовать в компьютере, его необходимо подготовить, отформатировать в выбранную файловую систему. Программа форматирования создает на жестком диске компьютера структуру в соответствии с правилами файловой системы Windows после чего диск становится виден в операционной системе и его можно использовать. Форматирование жесткого диска осуществляется силами операционной системы или сторонней программы. При этом выбирается тип файловой системы жесткого диска, размер кластера и способ форматирования.

Кластер — упрощенно, минимальная ячейка на жестком диске для хранения информации, эдакая коробочка для хранения файлов. Кластер имеет вполне конкретные стандартизованные размеры равные 512 байт раньше и 4 096 байт в настоящее время. В одном кластере хранится только один файл, если он меньше размера кластера, то все равно занимает весь кластер. Когда файл не помещается целиком в одном кластере, то он записывается кусочками по разным кластерам, необязательно соседним. Поскольку размеры файлов крайне редко кратны размеру кластера, то на диске файлы практически всегда занимают больше места, чем их реальный размер. Чтобы было понятнее, возьмем для наглядности такой пример. Есть 9 кирпичей, из них 3 белых и 6 красных, а в контейнер помещается только 5 кирпичей одного типа. Чтобы хранить наши кирпичи нам понадобится 3 контейнера, хотя емкость двух контейнеров 10 кирпичей. Вот наглядная иллюстрация, как это происходит.

Картинка с сайта: beginpc.ru

В файловой системе компьютера происходит точно также. В этом легко убедиться, если кликнуть правой кнопкой мыши по файлу и выбрать свойства.

Файл размером 6 байт занимает в файловой системе жесткого диска 4 096 байт, т.е. один кластер. Соответственно маленький размер кластера больше подходит для хранения маленьких файлов, а большой размер кластера для хранения больших. Тогда место на диске будет использоваться более рационально. Так же происходит и с ярлыками.

Первоначально, вся информация в виде файлов записывалась в файловую систему Windows в одну кучу, однако с ростом количества информации и емкости дисков это стало очень неудобно. Попробуйте найти нужную вам вещь в коробке, среди десятков других. Выходом из этой ситуации стало создание древовидной структуры папок (директорий или каталогов) сильно облегчающих структурирование и поиск информации. Внутри каталога создаются подкаталоги, и файлы группируются по логическому принципу удобному пользователю.

Дальнейший рост емкости дисков привел к следующему очевидному шагу, разбить один физический носитель информации на несколько логических разделов (дисков). Логически выделенная часть смежных блоков на диске называется раздел (partition). Такая структура файловой системы применяется в настоящее время в операционной системе Windows.

Картинка с сайта: beginpc.ru

Это позволяет упростить структурирование информации, повысить надежность хранения данных за счет разделения системных и пользовательских файлов, более гибко управлять правами доступа к файлам, увеличить скорость дисковых операций. Каждый созданный логический диск воспринимается операционной системой, как независимый, хотя фактически он виртуален. Благодаря этому каждому разделу жесткого диска можно назначить произвольную файловую систему или настроить размер кластера, а так же иметь несколько операционных систем на одном компьютере.

Первый физический сектор жесткого диска отведен для хранения главной загрузочной записи (MBR), необходимой для начальной загрузки операционной системы, а так же хранит таблицу разделов.

Разделы бывают двух видов: первичный (основной) и дополнительный (расширенный). В первом секторе основного раздела располагается загрузочный сектор, обеспечивающий загрузку ОС с данного раздела жесткого диска. Всего на физическом диске может быть четыре раздела и только один из них расширенный. Дополнительный раздел представляет собой оболочку для любого количества других логических разделов. Это позволяет обойти ограничение, только четыре раздела на физическом диске.

Вот и все, что мы хотели рассказать о файловой системе компьютера в операционной системе Windows.

Файловая
система ОС Windows. 

Вся информация 
(программы, документы, таблицы, рисунки и т.д.) хранятся в файлах.

Файл
(от англ.слова file — досье, набор документов) – это
поименованное место на диске для хранения информации.

Имя файла разделено на две части
точкой: собственное имя файла (перфикс) и расширение (суффикс), определяющее
его тип (программа, данные и т.д.). Собственно имя файлу дает пользователь,
а его тип обычно задается программой автоматически. 

Имя файла может
иметь до 255 символов, а расширение до 4.

Например: 
Рисунок. JPG

В имени и расширении
файла нельзя использовать следующие символы: *?/\:<>””

                                               Расширения
в именах файлов.         

К характеристикам
файлов относятся:

1.     Объем;

2.     Атрибуты;

a)     
«Только для чтения» (Read-only) —
означает, что файл доступен операционной системе только для чтения, т. е. в
него нельзя вносить какие-либо исправления. В большинстве случаев это не
означает, что исправления внести вовсе невозможно, просто при попытке изменить
файл с данным атрибутом пользователю будет показано соответствующее
предупреждение.

b)     
«Скрытый» (Hidden) —
подразумевается, что файл с данным атрибутом не выводится при показе тех или
иных списков файлов..

c)     
«Системный» (System) —
файлы с атрибутом «системный» чаще всего относятся к критичным файлам
операционной системы, которые нельзя удалять или изменять.

d)     
«Архивный» (Archive) —
Изначально предполагалось, что этот атрибут будет указывать программам
архивации файлы, предназначенные для резервного копирования. Другими словами,
программа, осуществляющая резервное копирование файла на жестком диске, должна
была сбрасывать атрибут «архивный», а программы, вносящие в
последующем в этот файл какие-либо изменения, наоборот, вновь его
устанавливать. Таким образом, программа резервного копирования путем проверки
данного файлового атрибута могла легко определить, изменялся ли данный файл на
жестком диске с момента осуществления предыдущего резервного копирования.

3.     Время;

4.     Дата
последней модификации.

Папка (каталог)— 
поименованное место на диске для хранения файлов. Имя папки может иметь до 255
символов. Каждая папка может содержать несколько вложенных

папок, любая из
них в свою очередь тоже может содержать вложенные папки — таким путем создается
иерархическая древовидная структура хранения папок на дисках компьютера.
Вложенные папки принято называть подпапками.

Картинка с сайта: infourok.ru

Путь – это
последовательность из имен логического диска, папок и вложенных папок,
разделенных символом /.

Например:С:/Мои
документы/Рисунки/фото1.JPG

Проводник предназначен
для управления файловой системой. С помощью проводника можно просмотреть
структуру и содержимое папок на диске.

Файловая система —
это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение
операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и
директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т.

д.Файловая
система определяет общую структуру именования, хранения и организации файлов в
операционной системе.

Функции файловой системы:

1.     Сохранение
информации на внешних носителях 

2.     Чтение
информации из файлов 

3.     Удаление
файлов, каталогов 

4.     Переименование
файлов 

5.     Копирование
файлов и др. 

Поиск
Файлов.

Шаблон
– использование
вместо имени файла символов * и ?.

Символ * 
обозначает любое количество символов,  ? – один произвольный символ или его
отсутствие.

Примеры
использования шаблонов:

Запуск
проводника.

1. Вызвать
контекстное меню кнопки Пуск  2. Выбрать
открыть  Проводник.

Структура
окна Проводника:

Рабочее поле
разделено на 2 области:

•      Левая
область  отображает дерево папок

•      Правая
область  содержимое открытой папки.

Буфер
обмена ОС WINDOWS.

Буфер
обмена – это участок оперативной памяти, в который временно
помещается та информация, которую вы копировали или вырезали командами Правка
Š
Копировать или Правка Š Вырезать.

▪ Извлекается
информация из буфера обмена сколь угодно много раз по команде Правка _Š
Вставить.

▪ Информация в
Буфере обмена будет содержаться до момента выполнения следующей команды
копирования (вырезания) или до момента выключения компьютера по свойствам
оперативной памяти. 

▪ Независимо от
размера информации после выполнения новой команды вся информация старое
заменяется новой. 

▪ Буфер обмена в
операционной системе Windows  называется clipbrd.exe и находится в
C:\WINDOWS\system32.

Контрольные вопросы:

1.       
Что такое файл?

2.       
Для чего в имени файла нужно расширение?

3.       
Из каких частей состоит имя файла?

4.       
Перечислите известные вам расширения в именах файлов.

5.       
Перечислите характеристики файлов.

6.       
Что значит атрибут файла «только чтение»?

7.       
Что значит атрибут файла «скрытый»?

8.       
Что такое папка?

9.       
Составьте таблицу «Отличий» файла от папки.

10.   Что
такое Путь?

11.   Что
такое Файловая система и какие функции она выполняет?

12.   Как
запустить проводник и опишите структуру окна проводника.

13.   Что
такое буфер обмена?

Рядовому пользователю компьютерных электронных устройств редко, но приходится сталкиваться с таким понятием, как «выбор файловой системы». Чаще всего это происходит при необходимости форматирования внешних накопителей (флешек, microSD), установке операционных систем, восстановлении данных на проблемных носителях, в том числе жестких дисках. Пользователям Windows предлагается выбрать тип файловой системы, FAT32 или NTFS, и способ форматирования (быстрое/глубокое). Дополнительно можно установить размер кластера. При использовании ОС Linux и macOS названия файловых систем могут отличаться.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе. 

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ API. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

На физическом уровне драйверы ФС оптимизируют запись и считывание отдельных частей файлов для ускоренной обработки запросов, фрагментации и «склеивания» хранящейся в ячейках информации. Данный алгоритм получил распространение в большинстве популярных файловых систем на концептуальном уровне в виде иерархической структуры представления метаданных (B-trees). Технология снижает количество самых длительных дисковых операций – позиционирования головок при чтении произвольных блоков. Это позволяет не только ускорить обработку запросов, но и продлить срок службы HDD. В случае с твердотельными накопителями, где принцип записи, хранения и считывания информации отличается от применяемого в жестких дисках, ситуация с выбором оптимальной файловой системы имеет свои нюансы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

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. 

Картинка с сайта: timeweb.com

Задачи файловой системы

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

• присвоение имен файлам;
• программный интерфейс работы с файлами для приложений;
• отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
• поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.). 

В многопользовательских системах реализуется задача защиты файлов от несанкционированного доступа, обеспечение совместной работы. При открытии файла одним из пользователей для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

Существует три основных вида операционных систем, используемых для управления любыми информационными устройствами: Windows компании Microsoft, macOS разработки Apple и операционные системы с открытым исходным кодом на базе Linux. Все они, для взаимодействия с физическими носителями, используют различные типы файловых систем, многие из которых дружат только со «своей» операционкой. В большинстве случаев они являются предустановленными, рядовые пользователи редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках.

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Более богатый выбор у линуксоидов. Но здесь настройка и использование определенного типа файловой системы требует хотя бы минимальных навыков программирования. Тем более, мало кто задумывается, можно ли использовать в определенной ОС «неродную» файловую систему. И зачем вообще это нужно.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows 

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

Картинка с сайта: timeweb.com

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

• зарезервированный сектор для служебных структур;
• табличная форма указателей;
• непосредственная зона записи содержимого файлов. 

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система. 

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

Стандарт NTFS разработан с целью устранения недостатков, присущих более ранним версиям ФС. Впервые он был реализован в Windows NT в 1995 году, и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Система NTFS расширила допустимый предел размера файлов до шестнадцати гигабайт, поддерживает разделы диска до 16 Эб (эксабайт, 10¹⁸ байт). Использование системы шифрования Encryption File System (метод «прозрачного шифрования») осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла. Файловая система позволяет использовать расширенные имена файлов, включая поддержку многоязычности в стандарте юникода UTF, в том числе в формате кириллицы. Встроенное приложение проверки жесткого диска или внешнего накопителя на ошибки файловой системы chkdsk повышает надежность работы харда, но отрицательно влияет на производительность.

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

• Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
• данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
• при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS 

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем: 

1. HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
   

   Картинка с сайта: timeweb.com

2. Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Картинка с сайта: timeweb.com

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

• Ext2;
• Ext3;
• Ext4;
• JFS;
• ReiserFS;
• XFS;
• Btrfs;
• ZFS.

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux. 

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии. 

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

• ZFS – «Zettabyte File System» разработана для распределенных хранилищ Sun Solaris OS;
• Apple Xsan – эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних разработках StorNext; 
• VMFS (Файловая система виртуальных машин) разработана компанией VMware для VMware ESX Server;
• GFS – Red Hat Linux именуется как «глобальная файловая система» для Linux;
• JFS1 – оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX. 

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант — использование специальной  утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free. Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Картинка с сайта: timeweb.com

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.

Слайд 1

Файловая структура операционной системы WINDOWS. Учебная презентация для студентов 1-го курса

Слайд 2

О файлах и файловых структурах Информация на внешних носителях хранится в виде файлов. Работа с файлами является очень важным видом работы на компьютере. В файлах хранится все: и программное обеспечение, и информация, необходимая для пользователя. С файлами, как с деловыми бумагами, постоянно приходится что-то делать: переписывать их с одного носителя на другой, уничтожать ненужные, создавать новые, разыскивать, переименовывать, раскладывать в том или другом порядке и пр. Файл — это информация, хранящаяся на внешнем носителе и объединенная общим именем. Для прояснения смысла этого понятия удобно воспользоваться следующей аналогией: сам носитель информации (диск) подобен книге. Мы говорили о том, что книга — это внешняя память человека, а магнитный диск — внешняя память компьютера. Книга состоит из глав (рассказов, разделов), каждый из которых имеет название. Также и файлы имеют свои названия. Их называют именами файлов. В начале или в конце книги обычно присутствует оглавление — список названий глав. На диске тоже есть такой список-каталог, содержащий имена хранимых файлов. В каждом файле хранится отдельный информационный объект: документ, статья, числовой массив, программа и пр. Заключенная в файле информация становится активной, т. е. может быть обработана компьютером, только после того, как она будет загружена в оперативную память.

Слайд 3

Имя файла Работа с файлами на компьютере производится с помощью файловой системы. Файловая система — это функциональная часть ОС, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Чтобы найти нужный файл, пользователю должно быть известно: а) какое имя у файла; б) где хранится файл . Практически во всех операционных системах имя файла составляется из двух частей, разделенных точкой. Например: myprog.pas Слева от точки находится собственно имя файла ( my prog). Следующая за точкой часть имени называется расширением файла (pas). Обычно в именах файлов употребляются латинские буквы и цифры. В большинстве ОС максимальная длина расширения — 3 символа. Кроме того, имя файла может и не иметь расширения. В операционной системе Windows в именах файлов допускается использование русских букв; максимальная длина имени — 255 символов. Расширение указывает, какого рода информация хранится в данном файле. Например, расширение txt обычно обозначает текстовый файл (содержит текст); расширение рсх — графический файл (содержит рисунок), zip или гаг — архивный файл (содержит архив — сжатую информацию), pas — программу на языке Паскаль. Файлы, содержащие выполнимые компьютерные программы, имеют расширения ехе или com.

Слайд 4

Конспект Файл. Имена файлов . Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов. Файл — это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти. Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и т. д.). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании. Тип файла Расширение Исполняемые программы exe , com Текстовые файлы txt , rtf , Графические файлы bmp , gif , jpg , png , pds Web -страницы htm , html Звуковые файлы wav , mp 3, midi , kar , ogg Видеофайлы avi , mpeg Код (текст) программы на языках программирования bas , pas , cpp

Слайд 5

Логические диски На одном компьютере может быть несколько дисководов — устройств работы с дисками. Каждому дисководу присваивается однобуквенное имя (после которого ставится двоеточие), например А:, В:, С:. Часто на персональных компьютерах диск большой емкости, встроенный в системный блок (его называют жестким диском), делят на разделы. Каждый из таких разделов называется логическим диском, и ему присваивается имя С:, D:, Е: и т. д. Имена А: и В: обычно относятся к сменным дискам малого объема — гибким дискам (дискетам). Их тоже можно рассматривать как имена дисков, только логических, каждый из которых полностью занимает реальный (физический) диск. Следовательно, А:, В:, С:, D: — это всё имена логических дисков. Имя логического диска, содержащего файл, является первой «координатой», определяющей место расположения файла.

Слайд 6

Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется установленной файловой системой. Файловая система — это система хранения файлов и организации каталогов. Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) удобно применять одноуровневую файловую систему, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов. Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска файлы организуются в много уровневую иерархическую файловую систему, которая имеет «древовидную» структуру. Начальный, корневой, каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, в каждом из них бывают вложенные каталоги 2-го уровня и т. д. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Слайд 7

Путь к файлу Для того чтобы найти файл в иерархической файловой структуре необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель «\» логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых находится данный нужный файл. Например, путь к файлам на рисунке можно записать так: C:\basic\ C:\Музыка\Пикник\ Полное имя файла. Путь к файлу вместе с именем файла называют полным именем файла. Пример полного имени файлов: C:\basic\prog123.bas C:\Музыка\Пикник\Иероглиф.mp3

Слайд 8

Пример иерархической файловой структуры

Слайд 9

пример : C:\GAMES\CHESS\zena.exe Имя диска – С папка 1уровня –GAMES папка 2уровня –CHESS; имя файла — zena.exe

Слайд 10

В некотором каталоге хранился файл Задача5 . После того, как в этом каталоге создали подкаталог и переместили в созданный подкаталог файл Задача5 , полное имя файла стало Е:\Класс\Физика\Задачник\Задача5 . Каково было полное имя этого файла до перемещения? 1)Е:\Физика\Задачник\Задача5 2)Е:\Физика\Задача5 3)Е:\Класс\Задачник\Задача5 4)Е:\Класс\Физика\Задача5

Слайд 11

Операции над файлами. В процессе работы на компьютере наиболее часто над файлами производятся следующие операции: копирование (копия файла помещается в другой каталог); перемещение (сам файл перемещается в другой каталог); удаление (запись о файле удаляется из каталога); переименование (изменяется имя файла). Графический интерфейс Windows позволяет проводить операции над файлами с помощью мыши с использованием метода Drag&Drop (перетащи и оставь). Существуют также специализированные приложения для работы с файлами, так называемые файловые менеджеры : Norton Commander, Windows Commander, Проводник и др.

Слайд 12

Конспект Групповые операции с файлами Для групповых операций с файлами используются маски имён файлов. Маска представляет собой последовательность букв, цифр и прочих допустимых в именах файлов символов, в которых также могут встречаться следующие символы. Символ «?» (вопросительный знак) означает ровно один произвольный символ. Символ «*» (звездочка) означает любую последовательность символов произвольной длины, в том числе «*» может задавать и пустую последовательность

Слайд 13

задание 1 В каталоге находится 6 файлов: asc.wma casting.wmv last.wma pasta.wmvx pasta.wri vast.wma Определите, по какой из перечисленных масок из этих 6 файлов будет отобрана указанная группа файлов: casting.wmv last.wma pasta.wmvx vast.wma ?as*.wm? *as?.wm* ?as*.wm* ?as*.w* Решение 1 способ Найдем, что общего у отобранных 4-х файлов: c ast ing. wm v l ast.wm a p ast a. wm vx v ast . wm a Розовым выделено общее. Исходя из этого маска может быть такой: ? ast *. wm * У всех файлов в названии: перед ast стоит 1 символ, поэтому поставлен символ «?»; после ast стоит от 0 до 3 символов, поэтому поставлен символ «*». У всех файлов в расширении после wm стоит от 1 до 2 символов, поэтому поставлен символ «*». В вариантах ответа символ «t» не фигурирует, поэтому его опустим, он будет в составе символа «*». Нашу маска ?ast*.wm* станет такой: ?as*.wm*. Это вариант 3.

Слайд 14

Задание 2. В каталоге находятся пять файлов: fort.docx ford.docx lord.doc orsk.dat port.doc Определите, по какой из масок из них будет отобрана указанная группа файлов : fort.docx ford.docx lord.doc port.doc * o ?. d ? ?o *. d* * or *. doc ? ? or ?. doc ?

Слайд 15

Задание3. Определите, по какой из масок будет выбрана указанная группа файлов: 1234.xls 23.xml 234.xls 23.xml *23*.?x* ?23?.x?? ?23?.x* *23*.???

Слайд 16

Задание 4. Определите, какое из указанных имен файлов удовлетворяет маске: ?ba*r.?xt bar.txt obar.txt obar.xt barr.txt Задание 5. Определите, какое из указанных имен файлов удовлетворяет маске: ?hel*lo.c?*. hello.c hello.cpp hhelolo.cpp hhelolo.c