Лекции по операционным системам (1114738), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Файловая система является с точки зрения пользователя первым виртуальным ресурсом (который появился в операционных системах), достаточно понятным и достаточно просто используемым во время его работы за машиной. Если сравнить ФС с другим виртуальным ресурсом — например, виртуальной памятью, то рядовому пользователю ПК может быть совсем не понятным, зачем нужен механизм виртуальной памяти. Появление ФС кардинально изменило взгляд на использование вычислительных систем. Почти сразу с момента использования вычислительной техники возникла проблема размещения данных во внешней памяти. Необходимость поддержки этого размещения обуславливалось несколькими причинами. Во-первых, была тривиальная необходимость сохранения данных: время «одноразовых» решений задач (когда требовалось, грубо говоря, лишь вычислить значение некой формулы) прошло достаточно быстро. Появились задачи, требующие больших объемов начальных данных, которые, в свою очередь, являлись результатом решения другой задачи. И эти данные надо было где-то сохранять, причем, сохранять без наличия программ, которые их используют. Как следствие, возникла проблема эффективности доступа к этим данным. Вторая необходима проблема — это само сохранение информации (и программ, и данных). Имеется в виду, сам факт долгосрочного хранения информации.
С точки зрения аппаратной поддержки можно выделить следующие этапы развития. Одним из первых внешних запоминающих устройств (ВЗУ) была магнитная лента. Магнитная лента — это устройство последовательного доступа, информация на котором хранится в виде записей (фиксированного или переменного размера). Запись структурно состоит из последовательности содержательной информации, ограниченной маркерами начала и конца записи. Для доступа к информации необходимо иметь номер соответствующей записи на ленте. Соответственно, если пользователь хотел сохранять данные на магнитной ленте, то ему было необходимо знать магнитную ленту как носитель (по номеру или по расположению в хранилище, и т.п.) и номер своей записи на этой ленте. Отметим, что относительно эффективная работа с лентой может быть достигнута лишь при персональном использовании: в случае, когда одновременно с одной лентой работают два пользователя, возникают достаточно большие накладные расходы (в частности, частое перематывание ленты на начало), что может привести даже к ее порче (разрыву). Решение проблемы корректности организации данных на магнитной ленте лежало на пользователе: если пользователь некорректно организовал запись своих данных, то он мог тем самым испортить и свои данные, и чужие записи на ленте.
На следующем этапе развития появились устройства прямого доступа (барабаны и магнитные диски), что естественно сказалось на адресации данных на носителе. Например, чтобы получить доступ к информации на диске, достаточно знать номер диска, номер поверхности, номер цилиндра и номер сектора. Но каждое устройство прямого доступа имело и свои особенности — в частности, размеры блока: у одних дисков блоки имели размер 256 байт, у других — 512 байт, и т.д. И эти особенности должен был учитывать пользователь при работе с данными устройствами. Чтобы разместить свой файл на диске, пользователь должен был разбить этот файл на блоки (в зависимости от конкретного устройства хранения), найти на диске свободные блоки, чтобы в них разместить весь свой файл, сохранить файл и запомнить координаты и последовательность блоков, в которых был сохранен файл. Заметим, что диски ориентированы на массовое использование, т.е. предполагается работа с ним двух и более пользователей, что накладывало дополнительные трудности на корректное размещение данных на диске — задачу, совершенно нетривиальную для рядового пользователя.
Подобный подход к хранению данных продлился примерно до середины 60-х — начала 70-х годов, когда в машинах второго поколения появился программный компонент операционной системы, который получил название файловая система. Повторимся, файловая система — это компонент операционной системы, обеспечивающий корректный именованный доступ к данным пользователя. Данные в файловой системе представляются в виде файлов, каждый из которых имеет имя. Главными словами в определении файловой системы являются именованный доступ и корректная работа. Последнее означает, что файловая система обеспечивает корректное управление свободным и занятым пространством на ВЗУ (заметим, что не обязательно на физическом устройстве: в качестве ВЗУ может выступить и виртуальное устройство), а также защиту от несанкционированного доступа к информации. Большинство современных файловых систем обеспечивают корректную организацию распределенного доступа к одному и тому же файлу (когда с ним могут работать два и более пользователя). Это не означает, что система будет отвечать за корректную семантику данных внутри файла: гарантируется, что система обеспечит корректный доступ пользователей к файлу с точки зрения системной организации. Также многие современные файловые системы поддерживают возможность синхронизации доступа к информации.
4.1.1Структурная организация файлов
С точки зрения структурной организации файлов имеется целый спектр различных подходов. Существует некоторая установившаяся систематизация методов структурной организации файлов. Рассмотрим модели в соответствии с хронологией их появления.
Первой моделью файла явилась модель файла как последовательности байтов. В этом случае содержимое файла представляется как неинтерпретируемая информация (или интерпретируемая примитивным образом). Задача интерпретации данных ложится на пользователя. Данная модель файла наиболее распространена на сегодняшний день: большинство широко используемых файловых систем поддерживают возможность представлять содержимое файла как последовательности байтов, а это означает, что программные интерфейсы, обеспечивающие доступ к содержимому файла, позволяют считывать и записывать произвольные порции данных.
Следующие модели представляют файл как последовательность записей переменной и постоянной длины. Первая из этих моделей является аналогом магнитной ленты. Соответственно, эта организация файла и рассчитана на работу с магнитными лентами. В этом случае возникают проблемы, такие как коррекция данных в середине файла, вследствие чего меняется размер файла, и появляется необходимость сдвигать «хвост» файла на ленте.
Модель файла как последовательности записей постоянной длины является также аппаратно-ориентированной: она является аналогом перфокарты. Перфокарта представляет собою картонный листок прямоугольной формы, на котором изображены двенадцать строк по 80 позиций в каждой. Каждая позиция соответствует одному биту информации. Соответственно, перфокарта может хранить лишь фиксированное количество данных, поэтому для отображения колоды перфокарт в файл подходит модель файла как последовательности записей фиксированного размера (каждая запись являлась образом одной перфокарты). Данная модель имеет следующие недостатки. Во-первых, из-за того, что каждая запись имеет фиксированный размер, возникает внутренняя фрагментация: т.е. если хотя бы один байт занят в записи, то занят и весь объем записи. Также остаются проблемы, возникающие при необходимости вставить или удалить запись из середины файла.
И, наконец, модель иерархической организации файла. В данной модели организация файла имеет сложную логическую структуру, позволяющую организовывать динамическую работу с данными. Одной из наиболее распространенных структур является дерево, в узлах которого расположены записи. Каждая запись состоит из двух полей: поле ключа и поле данных. В качестве ключа может выступать номер записи. Данная модель является удобной для редактирования файла, но с другой стороны требует достаточной сложной реализации.
Еще одной исторической характеристикой файлов были режимы доступа, отражавшие организацию внешних устройств. Были файлы прямого доступа и файлы последовательного доступа. Режим доступа задавался на этапе создания файла. В современных файловых системах эти режимы не используются. Зато актуальны режимы доступа с точки зрения разрешения или запрета на определенные операции: возможно иметь доступ только по чтению, только по записи или по чтению-записи информации в файл.
4.1.2Атрибуты файлов
Каждый файл обладает фиксированным набором параметров, характеризующих свойства и состояния файла, причем и долговременное (стратегическое), и оперативное состояния. Совокупность этих параметров называют атрибутами файла. В набор атрибутов может входить достаточно большое количество параметров, и состав атрибутов зависит от конкретной реализации системы. Среди атрибутов часто можно встретить следующие параметры: имя файла, права доступа, персонификация (создатель/владелец), тип файла, размер записи (блока), размер файла, указатель чтения/записи, время создания, время последней модификации, время последнего обращения, предельный размер файла и т.п.
Под именем файла понимается последовательность символов, используя который организуется именованный доступ к данным файла. В одних файловых системах имя файла воспринимается в качестве атрибута, другие ФС разделяют файл (его содержимое), имя и отдельно набор атрибутов.
Следующим немаловажным атрибутом являются права доступа. Данный атрибут характеризует возможность доступа к содержимому файла различным категориям пользователей. Структура категорий пользователей, по которой организуется доступ, зависит от конкретной операционной системы. В частности, существуют операционные системы, в которых прав доступа нет: файлы доступны любому пользователю системы.
Следующий атрибут — персонификация — связан с предыдущим. Соответственно, данный атрибут содержит информацию о принадлежности файла. В общем случае здесь может находиться несколько параметров: например, информация о создателе файла, а также информация о владельце файла. Зачастую эти параметры совпадают, но возможны ситуации, когда они отличаются.
Тип файла — информация о способе организации файла и интерпретации его содержимого. Говоря о способе организации, можно привести пример файловой системы ОС Unix, которая поддерживает разные типы файлов. Среди прочих имеются т.н. файлы устройств, соответствующие тем устройствам, которые обслуживает данная ОС; и через эти файлы устройств происходит фактически обращение к драйверам устройств. Совсем иначе организованы регулярные файлы, которые могут хранить различную информацию (текстовую, графическую и пр.). О различных способах организации речь пойдет ниже.
Если речь идет об интерпретации, то она может быть явной и неявной, т.е. возможно указание, как интерпретировать содержимое файла. Например, можно указать, является ли данный файл исполняемым или неисполняемым. Исполняемый файл можно запустить как процесс, в отличие от неисполняемого. Таким образом, атрибут типа файла может содержать многоуровневую комплексную информацию.
Размер записи (или размер блока). В системе имеется возможность указать, что какой-то файл организован в виде последовательности блоков данного размера, при этом размер определяется пользователем (пользовательским процессом). Размер может быть стационарным, когда при создании файла указывается фиксированный размер блоков, и нестационарным, когда размер блока задается каждый раз при открытии файла.
Размер файла. Данный атрибут имеет достаточно простой смысл, заметим, что обычно размер файла задается в байтах.
Указатель чтения/записи — это указатель, относительно которого происходит чтение или запись информации. В общем случае с каждым файлом ассоциируются два указателя (и на чтение, и на запись), хотя бывают файловые системы, в которых используется единый указатель чтения/записи. Соответственно, операции чтения/записи оперируют данными, следующими за указателями.
Среди прочих атрибутов файла возможны атрибуты, отражающие системную и статистическую информацию о файле: например, время последней модификации, время последнего обращения, предельный размер файла и т.д. Еще одной важной группой атрибутов являются атрибуты, хранящие информацию о размещении содержимого файла, т.е. где в файловой системе организовано хранение данных файла, и как оно организовано.
4.1.3Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
Практически все файловые системы при организации работы с файлами действуют по схожим сценариям, которые в общем случае состоят из трех основных блоков действий.
Во-первых, это начало работы с файлом (или открытие файла). Большинство систем для процессов, желающих работать с файлом, предполагают наличие операции открытия файла. Посредством данной операции процесс передает файловой системе запрос на работу с конкретным файлом. Получив запрос, файловая система производит соответствующие проверки возможности (в т.ч. на наличие полномочий) работы с файлом, в случае успеха выделяет внутри себя необходимые ресурсы для работы процесса с указанным файлом. В частности, для каждого открытого файла создается т.н. файловый дескриптор, в котором отражается актуальное состояние открытого файла (режимы, позиции указателей и т.п.). Файловый дескриптор, как системная структура данных, может размещаться как в адресном пространстве процесса, так и в пространстве памяти операционной системы. Соответственно, при открытии файла процесс получает либо номер файлового дескриптора, либо указатель на начало данной структуры. Все последующие операции с содержимым файла происходят с указанием именно файлового дескриптора, и эти операции образуют следующий блок действий.
Второй блок действий образуют операции по работе с содержимым файла (чтение и запись), также операции, изменяющие атрибуты файла (режимы доступа, изменение указателей чтения/записи и т.п.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
