Файловая структура хранения информации в пк кратко

Обновлено: 02.07.2024

Файл – это поименованная область внешней памяти.

Операции над файлами:

Копирование
Перемещение
Переименование
Удаление
Поиск

Маска представляет собой последовательность букв, цифр и прочих допустимых символов, среди которых также могут встречаться следующие символы:

? – означает ровно один произвольный символ

* – означает любую последовательность символов, в том числе, и пустую.

Каталог – это поименованная совокупность файлов и подкаталогов.

Файловая структура – это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними.

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов.

Иерархические файловые структуры используются для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом.

Последовательно записанные: путь к файлу и имя файла, составляют полное имя файла.

Основная литература:

1. Босова Л. Л. Информатика: 7 класс. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2017. – 226 с.

Дополнительная литература:

Босова Л. Л. Информатика: 7–9 классы. Методическое пособие. // Босова Л. Л., Босова А. Ю., Анатольев А. В., Аквилянов Н.А. – М.: БИНОМ, 2019. – 512 с.
Босова Л. Л. Информатика. Рабочая тетрадь для 7 класса. Ч 1. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2019. – 160 с.
Босова Л. Л. Информатика. Рабочая тетрадь для 7 класса. Ч 2. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2019. – 160 с.
Гейн А. Г. Информатика: 7 класс. // Гейн А. Г., Юнерман Н. А., Гейн А.А. – М.: Просвещение, 2012. – 198 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения.

Компьютер человеку даёт большие возможности: создавать, копировать, передавать, хранить информацию различного рода. Данные в компьютере могут быть разными, это и документы, и рисунки, и программы, и музыка и многое другое. Так вот, все данные и программы в компьютере хранятся в виде файлов. Сегодня на уроке мы и узнаем, что такое файл.

Вам уже известно, что все программы и данные хранятся во внешней памяти компьютера в виде файлов. Файл – это поименованная область внешней памяти.

Файл характеризуется набором параметров: именем, размером, датой создания, датой последней модификации и атрибутами, которые используются операционной системой для его обработки: является ли файл системным, скрытым или предназначен только для чтения. Размер файла выражается в байтах.

Файлы, которые содержат данные – графические, текстовые называются документами, а файлы, содержащие прикладные программы, – файлами-приложениями.

Причём, файлы-документы создаются и обрабатываются с помощью файлов-приложений.

Имя файла состоит из двух частей, разделённых точкой: собственно имени файла и расширения. Имя файлу даёт пользователь, делать это нужно осмысленно, отражая в имени содержание файла. Имя файла может содержать до 255 символов национальных алфавитов и пробелы. Но в имени файлов есть и запрещённые символы, например, знак вопроса, звёздочка. Расширение имени файла задаётся программой автоматически, оно содержит 3–4 символа, которые записываются после точки.

Над файлами можно выполнять следующие действия: копирование, перемещение, переименование, удаление, поиск.

Если имя файла указано неточно, то можно использовать маску имени файла. Маска представляет собой последовательность букв, цифр и прочих допустимых символов.

На каждом компьютерном носителе информации может храниться большое количество файлов. Для удобства поиска информации файлы объединяют в группы, называемые каталогами или папками. Каталогам, как и файлам, дают собственные имена. Каждый каталог может содержать множество файлов и вложенных каталогов, может входить в состав другого каталога, тем самым, образуя определённую структуру хранения файлов. Её называют файловой структурой. Файловая структура – это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними.

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим количеством файлов. В этом случае оглавление диска представляет собой линейную последовательность имён файлов.

Иерархические файловые структуры используются для хранения большого количества файлов. Иерархия – это расположение частей целого в порядке от высшего к низшим. Корневой каталог содержит файлы и вложенные каталоги первого уровня.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом, его можно изображать вертикально и горизонтально.

Чтобы обратиться к нужному файлу, который хранится, например, на жёстком диске, можно указать путь к файлу. То есть имена всех каталогов от корневого до того, в котором находится файл. Такую запись называют полным именем файла.

Учитель работал в каталоге Д:\Уроки\7 класс \Практические работы. Затем перешёл в дереве каталогов на уровень выше, спустился в подкаталог Презентации и удалил из него файл Введение.ppt. Каково полное имя файла, который удалил учитель?

Учитель работал с каталогом: Д:\Уроки\7 класс\Практические работы. Поднявшись на один уровень вверх, он оказался в каталоге Д:\Уроки\7 класс. После этого учитель спустился в каталог Презентации, путь к файлам которого имеет вид: D:\Уроки\7 класс \Презентации. В этом каталоге он удалил файл Введение.ppt, полное имя которого Д:\Уроки\7 класс \Презентации\ Введение.ppt.

Итак, сегодня мы узнали, что такое файл, какое имя он может иметь, какие операции можно выполнять над файлами. Также познакомились с понятиями каталог, файловая структура диска.

Материал для углубленного изучения темы.

Файловый менеджер Double Commander.

Double Commander‑ бесплатный файловый менеджер с двухоконным интерфейсом. Программа работает на разных операционных системах: Windows, Linux, MAC OS.

В программу встроены инструменты для группового переименования файлов и синхронизации, все операции выполняются в фоновом режиме, реализована поддержка вкладок, встроен просмотр файлов, эскизов, работа с архивами, расширенный поиск файлов, функция приостановки файловых операций, имеется поддержка некоторых плагинов для TotalCommander и т. д.

Внешний вид DoubleCommader является традиционным для программ подобного типа. Сверху расположены панели инструментов, список дисков, вкладки, собственно, список файлов, внизу находится командная строка и кнопки для тех, кто еще не запомнил наиболее часто используемые файловые операции, но можно скрыть эту панель,

DoubleCommander имеет огромное количество настроек. Настроить можно практически каждый элемент окна, главное найти нужные галочки или поля ввода.

Сверху перечислены папки, добавленные в избранные, а снизу два пункта меню для добавления/удаления папки из выбранной панели в список.

Что касается группового переименования, то интерфейс для него выглядит следующим образом:

При переименовании можно использовать регулярные выражения и различные поля вроде счетчика (чтобы добавлять к каждому последующему файлу свой номер), даты, времени создания файла.

Для поиска файлов в DoubleCommander довольно удобный интерфейс. Есть возможность вынесения результатов поиска на панель.

Программа DoubleCommander создана коллективом разработчиков из России, которые стремятся создать файловый менеджер, аналогичный по функциональности TotalCommander. Программа активно развивается.

Разбор решения заданий тренировочного модуля.

№1.Тип задания: выделение цветом.

Укажите, какое из указанных ниже имён файлов удовлетворяет маске ?ese*ie.?t*

Ответ: seseie.ttx

№2.Тип задания: восстановление последовательности элементов.

Восстановите полное имя файла.

Файл Онегин.doc хранится на жёстком диске в каталоге ПОЭЗИЯ, который является подкаталогом каталога ЛИТЕРАТУРА. В таблице приведены фрагменты полного имени файла:

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

Информатика. 7 класса. Босова Л.Л. Оглавление

Логические имена устройств внешней памяти компьютера

К каждому компьютеру может быть подключено несколько устройств внешней памяти. Основным устройством внешней памяти ПК является жёсткий диск. Если жёсткий диск имеет достаточно большую ёмкость, то его можно разделить на несколько логических разделов.

Наличие нескольких логических разделов на одном жёстком диске обеспечивает пользователю следующие преимущества:

можно хранить операционную систему в одном логическом разделе, а данные — в другом, что позволит переустанавливать операционную систему, не затрагивая данные;
на одном жёстком диске в различные логические разделы можно установить разные операционные системы;
обслуживание одного логического раздела не затрагивает другие разделы.

Каждое подключаемое к компьютеру устройство внешней памяти, а также каждый логический раздел жёсткого диска имеет логическое имя.

В операционной системе Windows приняты логические имена устройств внешней памяти, состоящие из одной латинской буквы и знака двоеточия:

для дисководов гибких дисков (дискет) — А: и В:;
для жёстких дисков и их логических разделов — С:, D:, Е: и т. д.;
для оптических дисководов — имена, следующие по алфавиту после имени последнего имеющегося на компьютере жёсткого диска или раздела жёсткого диска (например, F:);
для подключаемой к компьютеру флеш-памяти — имя, следующее за последним именем оптического дисковода (например, G:).

В операционной системе Linux приняты другие правила именования дисков и их разделов. Например:

логические разделы, принадлежащие первому жёсткому диску, получают имена hdal, hda2 и т. д.;
логические разделы, принадлежащие второму жёсткому диску, получают имена hdbl, hdb2 и т. д.

Файл

Все программы и данные хранятся во внешней памяти компьютера в виде файлов.

Файл — это поименованная область внешней памяти.

Файловая система — это часть ОС, определяющая способ организации, хранения и именования файлов на носителях информации.

Файл характеризуется набором параметров (имя, размер, дата создания, дата последней модификации) и атрибутами, используемыми операционной системой для его обработки (архивный, системный, скрытый, только для чтения). Размер файла выражается в байтах.

Файлы, содержащие данные — графические, текстовые (рисунки, тексты), называют документами, а файлы, содержащие прикладные программы, — файлами-приложениями. Файлы-документы создаются и обрабатываются с помощью файлов-приложений.

Имя файла, как правило, состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени файла и расширения. Собственно имя файлу даёт пользователь. Делать это рекомендуется осмысленно, отражая в имени содержание файла. Расширение имени обычно задаётся программой автоматически при создании файла. Расширения не обязательны, но они широко используются. Расширение позволяет пользователю, не открывая файла, определить его тип — какого вида информация (программа, текст, рисунок и т. д.) в нём содержится. Расширение позволяет операционной системе автоматически открывать файл.

В современных операционных системах имя файла может включать до 255 символов, причём в нём можно использовать буквы национальных алфавитов и пробелы. Расширение имени файла записывается после точки и обычно содержит 3-4 символа.

В ОС Windows в имени файла запрещено использование следующих символов: \, /. *, ?, «, , |. В Linux эти символы, кроме /, допустимы, хотя использовать их следует с осторожностью, так как некоторые из них могут иметь специальный смысл, а также из соображений совместимости с другими ОС.

Операционная система Linux, в отличие от Windows, различает строчные и прописные буквы в имени файла: например, FILE.txt, file.txt и FiLe.txt — это в Linux три разных файла.

В таблице приведены наиболее распространённые типы файлов и их расширения:

В ОС Linux выделяют следующие типы файлов:

обычные файлы — файлы с программами и данными;
каталоги — файлы, содержащие информацию о каталогах;
ссылки — файлы, содержащие ссылки на другие файлы;
специальные файлы устройств — файлы, используемые для представления физических устройств компьютера (жёстких и оптических дисководов, принтера, звуковых колонок и т. д.).

Каталоги

На каждом компьютерном носителе информации (жёстком, оптическом диске или флеш-памяти) может храниться большое количество файлов. Для удобства поиска информации файлы по определённым признакам объединяют в группы, называемые каталогами или папками.

Каталог также получает собственное имя. Он сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Каждый каталог может содержать множество файлов и вложенных каталогов.

Каталог — это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (вложенных каталогов).

Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом.

Файловая структура диска

Файловая структура диска — это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними.

Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов. В этом случае оглавление диска представляет собой линейную последовательность имён файлов (рис. 2.8). Его можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит названия входящих в неё рассказов и номера страниц.

Иерархические файловые структуры используются для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов. Иерархия — это расположение частей (элементов) целого в порядке от высшего к низшим. Начальный (корневой) каталог содержит файлы и вложенные каталоги первого уровня. Каждый из каталогов первого уровня может содержать файлы и вложенные каталоги второго уровня и т. д. (рис. 2.9). В этом случае оглавление диска можно сравнить с оглавлением нашего учебника: в нём выделены главы, состоящие из параграфов, которые, в свою очередь, разбиты на отдельные пункты и т. д.

Пользователь, объединяя по собственному усмотрению файлы в каталоги, получает возможность создать удобную для себя систему хранения информации. Например, можно создать отдельные каталоги для хранения текстовых документов, цифровых фотографий, мелодий ит. д.; в каталоге для фотографий объединить фотографии по годам, событиям, принадлежности и т. д. Знание того, какому каталогу принадлежит файл, значительно ускоряет его поиск.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом. В Windows каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев; в Linux каталоги объединяются в одно дерево, общее для всех дисков (рис. 2.10). Древовидные иерархические структуры можно изображать вертикально и горизонтально.

Полное имя файла

Чтобы обратиться к нужному файлу, хранящемуся на некотором диске, можно указать путь к файлу — имена всех каталогов от корневого до того, в котором непосредственно находится файл.

В операционной системе Windows путь к файлу начинается с логического имени устройства внешней памяти; после имени каждого подкаталога ставится обратный слэш. В операционной системе Linux путь к файлу начинается с имени единого корневого каталога; после имени каждого подкаталога ставится прямой слэш.

Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла. Не может быть двух файлов, имеющих одинаковые полные имена.

Пример полного имени файла в ОС Windows:

Пример полного имени файла в ОС Linux:

Задача 1. Пользователь работал с каталогом С:\Физика\Задачи\Кинематика. Сначала он поднялся на один уровень вверх, затем ещё раз поднялся на один уровень вверх и после этого спустился в каталог Экзамен, в котором находится файл Информатика.dос. Каков путь к этому файлу?

Решение. Пользователь работал с каталогом С:\Физика\Задачи\Кинематика. Поднявшись на один уровень вверх, пользователь оказался в каталоге С:\Физика\Задачи. Поднявшись ещё на один уровень вверх, пользователь оказался в каталоге СДФизика. После этого пользователь спустился в каталог Экзамен, где находится файл. Полный путь к файлу имеет вид: С:\Физика\Экзамен.

Задача 2. Учитель работал в каталоге D:\Уроки\7 класс\Практические работы. Затем перешёл в дереве каталогов на уровень выше, спустился в подкаталог Презентации и удалил из него файл Введение, ppt. Каково полное имя файла, который удалил учитель?

Решение. Учитель работал с каталогом D:\Уроки\7 класс\Практические работы. Поднявшись на один уровень вверх, он оказался в каталоге D:\Уроки\8 класс. После этого учитель спустился в каталог Презентации, путь к файлам которого имеет вид: D:\Уроки\ 7 класс\Презентации. В этом каталоге он удалил файл Введение.ppt, полное имя которого D:\Уроки\8 класс\ Презентации \Введение.ррt.

Работа с файлами

Создаются файлы с помощью систем программирования и прикладного программного обеспечения.

В процессе работы на компьютере над файлами наиболее часто проводятся следующие операции:

копирование (создаётся копия файла в другом каталоге или на другом носителе);
перемещение (производится перенос файла в другой каталог или на другой носитель, исходный файл уничтожается);
переименование (производится переименование собственно имени файла);
удаление (в исходном каталоге объект уничтожается).

Вопросы

1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Дополняет ли презентация информацию, содержащуюся в тексте параграфа?

Структура хранения данных на внешних носителях информации

2.1. Единица хранения данных

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру. При этом образуются адресные данные. Без них нельзя получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру.

Поскольку адресные данные тоже имеют размер и тоже подлежат хранению, хранить данные в виде мелких единиц, таких, как байты, неудобно. Их неудобно хранить и в более крупных единицах (килобайтах, мегабайтах и т. п.), поскольку частичное заполнение одной единицы хранения приводит к неэффективности хранения.

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом.

Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем. Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени файла они могут автоматически определить адекватный метод извлечения информации из файла.

Имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения файла. Например:

Собственно имя файла может состоять из букв русского и английского алфавитов, цифр и специальных символов. При этом его длина не должна превышать 256 символов.

В зависимости от расширения все файлы делятся на две большие группы: исполняемые и неисполняемые.

Исполняемые файлы – это такие файлы, которые могут выполняться самостоятельно, т. е. не требуют каких-либо специальных программ для их запуска. Имеют следующие расширения:

– exe – готовый к исполнению файл (tetris.exe; winword.exe);

– sys – файл операционной системы (Io.sys);

– bat – командный файл операционной системы MS-DOS (autoexec.bat).

Неисполняемые файлы для запуска требуют установки специальных программ. Так, например, для того чтобы просмотреть текстовый документ, требуется наличие какого-либо текстового редактора. По расширению неисполняемого файла можно судить о типе данных, хранящихся в данном файле. Вот несколько примеров:

2.2. Файловая структура

Требование уникальности имени файла очевидно – без этого невозможно гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически – создать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, не могут ни пользователь, ни автоматика.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки).

Каталоги (папки) – важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т. п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

Все современные операционные системы позволяют создавать каталоги. Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу, хотя негласно для каталогов не принято задавать расширения имен. Все промежуточные каталоги разделяются между собой обратной косой чертой (\). На рисунке 2.1 приведен пример иерархической структуры диска C:

2.3. Имена внешних носителей информации

Диски, на которых хранится информация в компьютере, имеют свои имена – каждый диск назван буквой латинского алфавита, а затем ставится двоеточие. Так, для дискет всегда отводятся буквы A: и B:. Логические диски винчестера именуются, начиная с буквы C:. После всех имен логических дисков следуют имена дисководов для компакт-дисков. Например, установлены: дисковод для дискет, винчестер, разбитый на 3 логических диска и дисковод для компакт-дисков. Определить буквы всех носителей информации. A: – дисковод для дискет;

C:, D:, E: – логические диски винчестера;

F: – дисковод для компакт-дисков.

Полное имя файла

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождественными полными именами.

Пример записи полного имени файла:

Вот пример записи двух файлов, имеющих одинаковое собственное имя и размещенных на одном носителе, но отличающихся путем доступа, то есть полным именем. Для наглядности имена каталогов (папок) напечатаны прописными буквами.

D: \Документы\Сведения о студентах\2004—05 учебный год\Результаты аттестации. doc

D: \Деканат\Аттестация студентов\Результаты аттестации. doc

2.4. Файловые системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Физическая структура хранения данных представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. Физическая структура хранения информации

Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения информации является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAТ-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайта, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к информации. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Как было сказано ранее, информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому как-то требуется при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.

Файловая система – это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами, а не просто с участками (секторами) дисков. Файловая система определяет:

• как хранятся файлы и каталоги на диске;

• какие хранятся сведения о файлах и каталогах;

• как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие – нет;

• формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных (размеченных) с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Файловая система, наиболее распространенная на IBM PC-совместимых компьютерах, была введена еще в начале 80-х годов в операционных системах MS DOS 1.0 и 2.0. Эта файловая система достаточно примитивна, так как она была создана для хранения данных на дискетах. Обычно эта файловая система называется FAT, так как самой важной структурой данных в ней является таблица размещения файлов на диске, по-английски – file allocation table, сокращенно – FAT. Эта таблица содержит информацию о том, какие участки (кластеры) диска свободны, и о цепочках кластеров, образующих файлы и каталоги.

В файловой системе FAT имена файлов и каталогов должны состоять не более чем из 8 символов плюс три символа в расширении имени. Она приводит к значительным потерям (до 20 %) дискового пространства из-за больших размеров кластеров на дисках высокой емкости. Это связано с тем, что в конце последнего кластера файла остается свободное место, в среднем равное половине кластера. А на больших дисках размер кластеров FAT может достигать 32 Кбайт. Таким образом, на диске емкостью 2 Гбайта с 20000 файлов потери составят 320 Мбайт, то есть около 16 %. Наконец, файловая система FAT малопроизводительна, особенно для больших дисков, не приспособлена к многозадачной работе (все операции требуют обращений к таблице размещения файлов, а потому до завершения одной операции нельзя начинать другую).

При разработке операционной системы Windows NT была создана новая файловая система – NTFS. Она была ориентирована на диски большого объема, содержащие множество файлов, в них приняты существенные меры по обеспечению эффективности хранения данных и контроля доступа к ним. Эта файловая система поддерживает длинные имена файлов. На логических дисках емкостью 1–2 Гбайта файловая система NTFS позволяет хранить в среднем на 10–15 % больше информации, чем FAT. А доступ к файлам в ней осуществляется заметно быстрее, особенно в многозадачной среде.

Разработчики NTFS, не забывая об эффективности, старались также обеспечить надежность файловой системы и восстанавливаемость данных при сбоях. Для этого, в частности, NTFS дублирует всю критически важную информацию и обеспечивает регистрацию всех изменений на дисках в специальном файле регистрации, причем для каждого изменения запоминается и способ его отмены. В результате практически при любых сбоях NTFS автоматически восстанавливается. NTFS также (в отличие от FAT) может работать с логическими дисками и файлами размером более 2 Гбайт – максимальный размер логических дисков и файлов там – 4х1018 байт.

Таблица 1. Сравнительные характеристики файловых систем

Особая файловая система разработана для компакт-дисков (CD-ROM). Это оказалось необходимым, так как само физическое устройство компакт-дисков не такое, как у жестких дисков или дискет: в них информация записывается не в кольцевых дорожках, а в единственной спиралеобразной дорожке (как у аудиокомпакт-дисков). Эта файловая система называется CDFS.

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 A PI. 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.

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.

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.).

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

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.

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.

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)

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:

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.
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.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

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:

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.

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.

Читайте также: