Операционные системы Microsoft семейства Windows NT нельзя представить без файловой системы NTFS - одной из самых сложных и удачных из существующих на данный момент файловых систем. Данная статья расскажет вам, в чем особенности и недостатки этой системы, на каких принципах основана организация информации, и как поддерживать систему в стабильном состоянии, какие возможности предлагает NTFS и как их можно использовать обычному пользователю.

Часть 1. Физическая структура NTFS

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

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

Структура раздела - общий взгляд

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

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

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

MFT и его структура

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

Метафайлы

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

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

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

Файлы и потоки

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

• Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т. д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.
• Опциональный элемент - потоки данных файла. Может показаться странным определение «опциональный», но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных - в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT.

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

Каталоги

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

Вывод - для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева - всего около 12-ти (2^10 = 1024). Экономия времени поиска налицо. Не стоит, однако думать, что в традиционных системах (FAT) всё так запущено: во-первых, поддержание списка файлов в виде бинарного дерева довольно трудоемко, а во-вторых - даже FAT в исполнении современной системы (Windows2000 или Windows98) использует сходную оптимизацию поиска. Это просто еще один факт в вашу копилку знаний. Хочется также развеять распространенное заблуждение (которое я сам разделял совсем еще недавно) о том, что добавлять файл в каталог в виде дерева труднее, чем в линейный каталог: это достаточно сравнимые по времени операции - дело в том, что для того, чтобы добавить файл в каталог, нужно сначала убедится, что файла с таким именем там еще нет:) - и вот тут-то в линейной системе у нас будут трудности с поиском файла, описанные выше, которые с лихвой компенсируют саму простоту добавления файла в каталог.

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

Журналирование

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

Пример 1: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком - система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место - начинается новая транзакция.

Пример 2: более сложный случай - идет запись данных на диск. Вдруг, бах - отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы - журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле $LogFile это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем - все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась - то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на «незаконченную» транзакцию.

И все-таки помните, что журналирование - не абсолютная панацея, а лишь средство существенно сократить число ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk - опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Вы можете даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset - вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы , а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию - ваши данные могут и не записаться. Чудес не бывает.

Сжатие

Файлы NTFS имеют один довольно полезный атрибут - «сжатый». Дело в том, что NTFS имеет встроенную поддержку сжатия дисков - то, для чего раньше приходилось использовать Stacker или DoubleSpace. Любой файл или каталог в индивидуальном порядке может хранится на диске в сжатом виде - этот процесс совершенно прозрачен для приложений. Сжатие файлов имеет очень высокую скорость и только одно большое отрицательное свойство - огромная виртуальная фрагментация сжатых файлов, которая, правда, никому особо не мешает. Сжатие осуществляется блоками по 16 кластеров и использует так называемые «виртуальные кластеры» - опять же предельно гибкое решение, позволяющее добиться интересных эффектов - например, половина файла может быть сжата, а половина - нет. Это достигается благодаря тому, что хранение информации о компрессированности определенных фрагментов очень похоже на обычную фрагментацию файлов: например, типичная запись физической раскладки для реального, несжатого, файла:

кластеры файла с 1 по 43-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го

кластеры файла с 44 по 52-й хранятся в кластерах диска начиная с 8530-го…

Физическая раскладка типичного сжатого файла:

кластеры файла с 1 по 9-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го

кластеры файла с 10 по 16-й нигде не хранятся

кластеры файла с 17 по 18-й хранятся в кластерах диска начиная с 409-го

кластеры файла с 19 по 36-й нигде не хранятся

Видно, что сжатый файл имеет «виртуальные» кластеры, реальной информации в которых нет. Как только система видит такие виртуальные кластеры, она тут же понимает, что данные предыдущего блока, кратного 16-ти, должны быть разжаты, а получившиеся данные как раз заполнят виртуальные кластеры - вот, по сути, и весь алгоритм.

Безопасность

NTFS содержит множество средств разграничения прав объектов - есть мнение, что это самая совершенная файловая система из всех ныне существующих. В теории это, без сомнения, так, но в текущих реализациях, к сожалению, система прав достаточно далека от идеала и представляет собой хоть и жесткий, но не всегда логичный набор характеристик. Права, назначаемые любому объекту и однозначно соблюдаемые системой, эволюционируют - крупные изменения и дополнения прав осуществлялись уже несколько раз и к Windows 2000 все-таки они пришли к достаточно разумному набору.

Права файловой системы NTFS неразрывно связаны с самой системой - то есть они, вообще говоря, необязательны к соблюдению другой системой, если ей дать физический доступ к диску. Для предотвращения физического доступа в Windows2000 (NT5) всё же ввели стандартную возможность - об этом см. ниже. Система прав в своем текущем состоянии достаточно сложна, и я сомневаюсь, что смогу сказать широкому читателю что-нибудь интересное и полезное ему в обычной жизни. Если вас интересует эта тема - вы найдете множество книг по сетевой архитектуре NT, в которых это описано более чем подробно.

На этом описание строение файловой системы можно закончить, осталось описать лишь некоторое количество просто практичных или оригинальных вещей.

Hard Links

Эта штука была в NTFS с незапамятных времен, но использовалась очень редко - и тем не менее: Hard Link - это когда один и тот же файл имеет два имени (несколько указателей файла-каталога или разных каталогов указывают на одну и ту же MFT запись). Допустим, один и тот же файл имеет имена 1.txt и 2.txt: если пользователь сотрет файл 1, останется файл 2. Если сотрет 2 - останется файл 1, то есть оба имени, с момента создания, совершенно равноправны. Файл физически стирается лишь тогда, когда будет удалено его последнее имя.

Symbolic Links (NT5)

Гораздо более практичная возможность, позволяющая делать виртуальные каталоги - ровно так же, как и виртуальные диски командой subst в DOSе. Применения достаточно разнообразны: во-первых, упрощение системы каталогов. Если вам не нравится каталог Documents and settingsAdministratorDocuments, вы можете прилинковать его в корневой каталог - система будет по прежнему общаться с каталогом с дремучим путем, а вы - с гораздо более коротким именем, полностью ему эквивалентным. Для создания таких связей можно воспользоваться программой junction (junction.zip , 15 Кб), которую написал известный специалист Mark Russinovich. Программа работает только в NT5 (Windows 2000), как и сама возможность.

Для удаления связи можно воспользоваться стандартной командой rd.
ВНИМАНИЕ: Попытка уделения связи с помощью проводника или других файловых менеджеров, не понимающих виртуальную природу каталога (например, FAR), приведет к удалению данных, на которые ссылается ссылка! Будьте осторожны.

Шифрование (NT5)

Полезная возможность для людей, которые беспокоятся за свои секреты - каждый файл или каталог может также быть зашифрован, что не даст возможность прочесть его другой инсталляцией NT. В сочетании со стандартным и практически непрошибаемым паролем на загрузку самой системы, эта возможность обеспечивает достаточную для большинства применений безопасность избранных вами важных данных.Часть 2. Особенности дефрагментации NTFS

Вернемся к одному достаточно интересному и важному моменту - фрагментации и дефрагментации NTFS. Дело в том, что ситуация, сложившаяся с этими двумя понятиями в настоящий момент, никак не может быть названа удовлетворительной. В самом начале утверждалось, что NTFS не подвержена фрагментации файлов. Это оказалось не совсем так, и утверждение сменили - NTFS препятствует фрагментации. Оказалось, что и это не совсем так. То есть она, конечно, препятствует, но толк от этого близок к нулю… Сейчас уже понятно, что NTFS - система, которая как никакая другая предрасположена к фрагментации, что бы ни утверждалось официально. Единственное что - логически она не очень от этого страдает. Все внутренние структуры построены таким образом, что фрагментация не мешает быстро находить фрагменты данных. Но от физического последствия фрагментации - лишних движений головок - она, конечно, не спасает. И поэтому - вперед и с песней.

К истокам проблемы

Как известно, система сильнее всего фрагментирует файлы когда свободное место кончается, когда приходится использовать мелкие дырки, оставшиеся от других файлов. Тут возникает первое свойство NTFS, которое прямо способствует серьезной фрагментации.

Диск NTFS поделен на две зоны. В начала диска идет MFT зона - зона, куда растет MFT, Master File Table. Зона занимает минимум 12% диска, и запись данных в эту зону невозможна. Это сделано для того, чтобы не фрагментировался хотя бы MFT. Но когда весь остальной диск заполняется - зона сокращается ровно в два раза:). И так далее. Таким образом мы имеем не один заход окончания диска, а несколько. В результате если NTFS работает при диске, заполненном на около 90% - фрагментация растет как бешенная.

Попутное следствие - диск, заполненный более чем на 88%, дефрагментировать почти невозможно - даже API дефрагментации не может перемещать данные в MFT зону. Может оказаться так, что у нас не будет свободного места для маневра.

Далее. NTFS работает себе и работает, и всё таки фрагментируется - даже в том случае, если свободное место далеко от истощения. Этому способствует странный алгоритм нахождения свободного места для записи файлов - второе серьезное упущение. Алгоритм действий при любой записи такой: берется какой-то определенный объем диска и заполняется файлом до упора. Причем по очень интересному алгоритму: сначала заполняются большие дырки, потом маленькие. Т.е. типичное распределение фрагментов файла по размеру на фрагментированной NTFS выглядит так (размеры фрагментов):

16 - 16 - 16 - 16 - 16 - [скачек назад] - 15 - 15 - 15 - [назад] - 14 - 14 - 14 .... 1 - 1 - 1 -1 - 1...

Так процесс идет до самых мелких дырок в 1 кластер, несмотря на то, что на диске наверняка есть и гораздо более большие куски свободного места.

Вспомните сжатые файлы - при активной перезаписи больших объемов сжатой информации на NTFS образуется гигантское количество «дырок» из-за перераспределения на диске сжатых объемов - если какой-либо участок файла стал сжиматься лучше или хуже, его приходится либо изымать из непрерывной цепочки и размещать в другом месте, либо стягивать в объеме, оставляя за собой дырку.

Смысл в сего этого вступления в пояснении того простого факта, что никак нельзя сказать, что NTFS препятствует фрагментации файлов. Наоборот, она с радостью их фрагментирует. Фрагментация NTFS через пол года работы доведет до искреннего удивления любого человека, знакомого с работой файловой системой. Поэтому приходится запускать дефрагментатор. Но на этом все наши проблемы не заканчиваются, а, увы, только начинаются.

Средства решения?

В NT существует стандартное API дефрагментации. Обладающее интересным ограничением для перемещения блоков файлов: за один раз можно перемещать не менее 16 кластеров (!), причем начинаться эти кластеры должны с позиции, кратной 16 кластерам в файле. В общем, операция осуществляется исключительно по 16 кластеров. Следствия:

1. В дырку свободного места менее 16 кластеров нельзя ничего переместить (кроме сжатых файлов, но это неинтересные в данный момент тонкости).
2. Файл, будучи перемещенный в другое место, оставляет после себя (на новом месте) «временно занятое место», дополняющее его по размеру до кратности 16 кластерам.
3. При попытке как-то неправильно (»не кратно 16») переместить файл результат часто непредсказуем. Что-то округляется, что-то просто не перемещается… Тем не менее, всё место действия щедро рассыпается «временно занятым местом».

«Временно занятое место» служит для облегчения восстановления системы в случае аппаратного сбоя и освобождается через некоторое время, обычно где-то пол минуты.

Тем не менее, логично было бы использовать это API, раз он есть. Его и используют. Поэтому процесс стандартной дефрагментации, с поправками на ограниченность API, состоит из следующих фаз (не обязательно в этом порядке):

• Вынимание файлов из MFT зоны. Не специально - просто обратно туда их положить не представляется возможным:) Безобидная фаза, и даже в чем то полезная.
• Дефрагментация файлов. Безусловно, полезный процесс, несколько, правда, осложняемый ограничениями кратности перемещений - файлы часто приходится перекладывать сильнее, чем это было бы логично сделать по уму.
• Дефрагментация MFT, виртуалки (pagefile.sys) и каталогов. Возможна через API только в Windows2000, иначе - при перезагрузке, отдельным процессом, как в старом Diskeeper-е.
• Складывание файлов ближе к началу - так называемая дефрагментация свободного места. Вот это - воистину страшный процесс.

Допустим, мы хотим положить файлы подряд в начало диска. Кладем один файл. Он оставляет хвост занятости дополнения до кратности 16. Кладем следующий - после хвоста, естественно. Через некоторое время, по освобождению хвоста, имеем дырку Таким образом, имеется два примерно равнозначных варианта. Первый - часто оптимизировать диск таким дефрагментатором, смиряясь при этом с дикой фрагментацией заново созданных файлов. Второй вариант - вообще ничего не трогать, и смириться с равномерной, но гораздо более слабой фрагментацией всех файлов на диске.

Пока есть всего один дефрагментатор, который игнорирует API дефрагментации и работает как-то более напрямую - Norton Speeddisk 5.0 для NT. Когда его пытаются сравнить со всеми остальными - Diskeeper, O&O defrag, т. д. - не упоминают этого главного, самого принципиального, отличия. Просто потому, что эта проблема тщательно скрывается, по крайней мере уж точно не афишируется на каждом шагу. Speeddisk - единственная на сегодняшний день программа, которая может оптимизировать диск полностью, не создавая маленьких незаполненных фрагментов свободного места. Стоит добавить также, что при помощи стандартного API невозможно дефрагментировать тома NTFS с кластером более 4 Кбайт, а SpeedDisk и это может.

К сожалению, в Windows 2000 поместили дефрагментатор, который работает через API, и, соответственно, плодит дырки Как некоторый вывод из всего этого: все остальные дефрагментаторы при одноразовом применении просто вредны. Если вы запускали его хоть раз - нужно запускать его потом хотя бы раз в месяц, чтобы избавится от фрагментации новоприбывающих файлов. В этом основная суть сложности дефрагментации NTFS теми средствами, которые сложились исторически.Часть 3. Что выбрать?

Любая из представленных ныне файловых систем уходит своими корнями в глубокое прошлое - еще к 80-м годам. Да, NTFS, как это не странно - очень старая система! Дело в том, что долгое время персональные компьютеры пользовались лишь операционной системой DOS, которой и обязана своим появлением FAT. Но параллельно разрабатывались и тихо существовали системы, нацеленные на будущее. Две таких системы, получившие всё же широкое признание - NTFS, созданная для операционной системы Windows NT 3.1 еще в незапамятные времена, и HPFS - верная спутница OS/2.

Внедрение новых систем шло трудно - еще в 95м году, с выходом Windows95, ни у кого не было и мыслей о том, что что-то нужно менять - FAT получил второе дыхание посредством налепленной сверху заплатки «длинные имена», реализация которых там хоть и близка к идеально возможной без изменения системы, но всё же довольно бестолкова. Но в последующие годы необходимость перемен назрела окончательно, поскольку естественные ограничения FAT стали давать о себе знать. FAT32, появившаяся в Windows 95 OSR2, просто сдвинула рамки - не изменив сути системы, которая просто не дает возможности организовать эффективную работу с большим количеством данных.

HPFS (High Performance File System), активно применяемая до сих пор пользователями OS/2, показала себя достаточно удачной системой, но и она имела существенные недостатки - полное отсутствие средств автоматической восстанавливаемости, излишнюю сложность организации данных и невысокую гибкость.

NTFS же долго не могла завоевать персональные компьютеры из-за того, что для организации эффективной работы с её структурами данных требовались значительные объемы памяти. Системы с 4 или 8 Мбайт (стандарт 95-96 годов) были просто неспособны получить хоть какой-либо плюс от NTFS, поэтому за ней закрепилась не очень правильная репутация медленной и громоздкой системы. На самом деле это не соответствует действительности - современные компьютерные системы с памятью более 64 Мб получают просто огромный прирост производительности от использования NTFS.

В данной таблице сведены воедино все существенные плюсы и минусы распространенных в наше время систем, таких как FAT32, FAT и NTFS. Вряд ли разумно обсуждать другие системы, так как в настоящее время 97% пользователей делают выбор между Windows98, Windows NT4.0 и Windows 2000 (NT5.0), а других вариантов там просто нет.

Системы, её поддерживающие	DOS, Windows9Х, NT всех версий	Windows98, NT5	NT4, NT5
Максимальный размер тома	2 Гбайт	практически неограничен	практически неограничен
Макс. число файлов на томе	примерно 65 тысяч	практически не ограничено	практически не ограничено
Имя файла		с поддержкой длинных имен - 255 символов, системный набор символов	255 символов, любые символы любых алфавитов (65 тысяч разных начертаний)
Возможные атрибуты файла	Базовый набор	Базовый набор	всё, что придет в голову производителям программного обеспечения
Безопасность	нет	нет	да (начиная с NT5.0 встроена возможность физически шифровать данные)
Сжатие	нет	нет	да
Устойчивость к сбоям	средняя (система слишком проста и поэтому ломаться особо нечему:))	плохая (средства оптимизации по скорости привели к появлению слабых по надежности мест)	полная - автоматическое восстановление системы при любых сбоях (не считая физические ошибки записи, когда пишется одно, а на самом деле записывается другое)
Экономичность	минимальная (огромные размеры кластеров на больших дисках)	улучшена за счет уменьшения размеров кластеров	максимальна. Очень эффективная и разнообразная система хранения данных
Быстродействие	высокое для малого числа файлов, но быстро уменьшается с появлением большого количества файлов в каталогах. результат - для слабо заполненных дисков - максимальное, для заполненных - плохое	полностью аналогично FAT, но на дисках большого размера (десятки гигабайт) начинаются серьезные проблемы с общей организацией данных	система не очень эффективна для малых и простых разделов (до 1 Гбайт), но работа с огромными массивами данных и внушительными каталогами организована как нельзя более эффективно и очень сильно превосходит по скорости другие системы

Хотелось бы сказать, что если ваша операционная система - NT (Windows 2000), то использовать какую-либо файловую систему, отличную от NTFS - значит существенно ограничивать свое удобство и гибкость работы самой операционной системы. NT, а особенно Windows 2000, составляет с NTFS как бы две части единого целого - множество полезных возможностей NT напрямую завязано на физическую и логическую структуру файловой системы, и использовать там FAT или FAT32 имеет смысл лишь для совместимости - если у вас стоит задача читать эти диски из каких-либо других систем.

Хотелось бы выразить искреннюю признательность Андрею Шабалину , без которого эта статья просто не была бы написана, а даже будучи написанной, содержала бы много досадных неточностей

Компьютер, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С: и т.д. Стандартно принято, что А: и В: – это накопители на гибких магнитных дисках, а диски С:, D: и т.д. – жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски.

Электронные диски представляют собой часть оперативной памяти, которая для пользователя выглядит как ВЗУ. Скорость обмена информации с электронным диском значительно выше, чем с электромеханическим внешним запоминающем устройством. При работе электронных дисков не происходит износ электромеханических деталей. Однако после выключения питания информация на электронном диске не сохраняется.

Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических дисков, которые для пользователя будут выглядеть на экране так же, как и физически существующие диски. Логический диск – это часть обычного жесткого диска, имеющая собственное имя.

Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка операционной системы часто осуществляется с гибкого диска. Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными.

Для того чтобы на новый магнитный диск можно было записать информацию, он должен быть предварительно отформатирован. Форматирование – это подготовка диска для записи информации.

Во время форматирования на диск записывается служебная информация (делается разметка), которая затем используется для записи и чтения информации, коррекции скорости вращения диска, а также выделяется системная область, которая состоит из трех частей:

ü загрузочного сектора,

ü таблицы размещения файлов,

ü корневого каталога.

Загрузочный сектор (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Он содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.

На жестком диске имеется область, которая называется главной загрузочной записью MBR (Master Boot Record) или главным загрузочным сектором. В MBR указывается, с какого логического диска должна производиться загрузка операционной системы.

Таблица размещения файлов (File Allocation Table – сокращенно FAT) располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность сохранения этой очень важной таблицы.

Корневой каталог (Root Directory) всегда находится за копией FAT. В корневом каталоге содержится перечень файлов и директорий, находящихся на диске. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные.

Файловая система – это часть операционной системы, обеспечивающая организацию и хранения файлов, а также выполнение операций над файлами.

Файловая система. Диски

Компьютер, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С: и т.д. Стандартно принято, что А: и В: – это накопители на гибких магнитных дисках, а диски С:, D: и т.д. – жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски.

Электронные диски представляют собой часть оперативной памяти, которая для пользователя выглядит как ВЗУ. Скорость обмена информации с электронным диском значительно выше, чем с электромеханическим внешним запоминающем устройством. При работе электронных дисков не происходит износ электромеханических деталей. Однако после выключения питания информация на электронном диске не сохраняется.

Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических дисков, которые для пользователя будут выглядеть на экране так же, как и физически существующие диски. Логический диск – это часть обычного жесткого диска, имеющая собственное имя.

Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка операционной системы часто осуществляется с гибкого диска. Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными.

Для того чтобы на новый магнитный диск можно было записать информацию, он должен быть предварительно отформатирован. Форматирование – это подготовка диска для записи информации.

Во время форматирования на диск записывается служебная информация (делается разметка), которая затем используется для записи и чтения информации, коррекции скорости вращения диска, а также выделяется системная область, которая состоит из трех частей:

загрузочного сектора,

таблицы размещения файлов,

корневого каталога.

Загрузочный сектор (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Он содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.

На жестком диске имеется область, которая называется главной загрузочной записью MBR (Master Boot Record) или главным загрузочным сектором. В MBR указывается, с какого логического диска должна производиться загрузка операционной системы.

Таблица размещения файлов (File Allocation Table – сокращенно FAT) располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность сохранения этой очень важной таблицы.

Корневой каталог (Root Directory) всегда находится за копией FAT. В корневом каталоге содержится перечень файлов и директорий, находящихся на диске. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные.

Файловая система – это часть операционной системы, обеспечивающая организацию и хранения файлов, а также выполнение операций над файлами.

Файл

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 неполное заполнение одной единицы хранения приводит к неэффективности хранения.

Хранение и поиск информации на внешних запоминающих устройствах имеет важное значение. Внешние запоминающие устройства представляют собой своеобразные информационные склады, где программы и данные хранятся длительное время, до тех пор пока они не понадобятся для решения какой-либо задачи. А теперь представьте себе, что товары на каком-либо складе хранятся без всякой системы. Чем больше склад – тем труднее отыскать нужный товар. Или возьмем, например, шкаф, в котором хранятся различные документы, книги, отчеты, справки и т.д. В случае отсутствия определенной организации хранения поиск нужных документов, особенно если их количество значительно, может оказаться весьма сложной задачей, требующей много времени.

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

Файлом называется поименованная совокупность данных, имеющая определенную внутреннюю организацию и занимающая некоторый участок носителя информации.

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.

Имя файла должно быть уникальным – 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 может ни пользователь, ни автоматика.

Файл может содержать: программу в машинных кодах, текст программы на алгоритмическом языке, текст документа, отчет, ведомость на зарплату, статью, числовые данные, запись человеческой речи или музыкальной мелодии, рисунок, иллюстрацию, чертеж, фотографию, видеофильм и т.д.

Созданиефайла осуществляется по указанию пользователя или автоматически, средствами различных программных систем, таких как операционные системы, оболочки, инструментальные системы программирования и т.д. За создаваемым файлом закрепляется некоторое название, ему выделяется место на дисковом носителе, и он определенным образом регистрируется в операционной системе. Вновь созданный файл может быть заполнен какой-либо информацией.

Каждый файл обладает рядом характерных свойств – атрибутов. Важнейшими атрибутами файла являются:

название,

расширение,

время и дата создания.

Имя файла , точно так же как и имя человека, название документа, книги, служит для того, чтобы иметь возможность отличить один файл от другого, указать на нужный файл. В различных операционных системах названия файлов формируются по разным правилам. Например, в операционной системе MS DOS название файла представляет собой

последовательность букв латинского алфавита,

некоторых специальных знаков (~, _, -, $, &, @, %,",!,(>)> {>}. #).

Название может содержать от одного до восьми (1 … 8) символов и выбирается произвольным образом. Желательно подбирать названия файлам так, чтобы пользователь мог легко вспомнить, что именно хранится в этом файле. Например, файл, содержащий отчет за 4-й квартал, можно назвать otchet4, файл с ведомостью на зарплату – vedzarpl, а файл с каким-либо рисунком целесообразно назвать picture.

В операционной системе MS DOS название файла не может содержать

пробелов,

букв русского алфавита,

Кроме того, оно не может содержать более восьми символов. Вообще говоря, это достаточно существенные ограничения. Например, файл, содержащий отчет предприятия за 4-й квартал, который мы назвали otchet4, желательно было бы назвать «Отчет за 4-й квартал», в крайнем случае «Otchet za 4 kvartal», применив так называемую транслитерацию, когда слова одного языка записываются буквами другого. В операционных системах Unix и Windows 9.x сняты ограничения на длину названия, использование пробелов и точек в названии. А в операционной системе Windows 9.x, кроме того, в названии можно использовать русские буквы. Таким образом, файл в Unix может иметь название «Otchet za 4 kvartal», а в Windows 9.x допускается и название «Отчет за 4-й квартал».

Кроме названия каждый файл может иметьили не иметь расширение. Расширение используется для того, чтобы определенным образом охарактеризовать содержимое файла. Например, расширения doc и txt указывают на то, что файл содержит какой-либо документ или текст, а расширение bmp имеет файл, содержащий изображение в формате битовой карты. Расширение, если оно есть, отделяется от названия файла точкой. В операционной системе MS DOS расширение может содержать от одного до трех символов, например, otchet4.doc, vedzarpl.txt, picture.bmp, а в системах Unix и Windows 9.x допускается более трех символов. Если расширения нет, то точка в названии файла не ставится.

Если файл создается с помощью какой-либо программной системы, то, как правило, он автоматически получает стандартное для данной системы расширение, и пользователю достаточно выбрать или указать только название. Впоследствии по стандартным расширениям программная система опознает «свои» файлы. В операционных системах предусмотрен целый ряд стандартных расширений (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Некоторые расширения MS DOS и Windows 9.x

Файлы с расширением.сом (common – общий) и.exe (execute – выполнение) содержат программы на машинном языке. Эти файлы часто называют программными файлами. Различия между com-файлами и ехе-файлами касаются их внутренней организации. На способах обращения с файлами эти различия никак не сказываются. Файлы с расширением.bat (batch – пачка) содержат произвольные последовательности команд операционной системы. Такие файлыпринято называть командными файлами. Термин « выполняемый файл» объединяет понятия «программный файл» и «командный файл». Другими словами, «выполняемый файл» означает, что файл содержит либо программу на машинном языке, которая может быть непосредственно выполнена процессором компьютера (файлы с расширениями.ехе и.com), либо последовательность команд операционной системы (файл с расширением.bat), которые тоже выполняются, но только путем обращения к соответствующим программам и средствам операционной системы.

Важным атрибутом файла является его длина. Длина файла равна объему занимаемого файлом участка диска или ленты и, следовательно, измеряется в байтах. Значение этого атрибута используется для определения возможности размещения файла на свободном участке дискового носителя и в некоторых других целях.

При первоначальной записи файла на диск, а также при внесении в файл изменений с помощью системных часов (специальной программы, входящей в состав операционной системы) автоматически фиксируются время и дата записи файла на дисковое устройство. Атрибуты даты и времени используются для опознания последних по времени вариантов файла.

Кроме рассмотренных основных атрибутов файла в операционной системе MS DOS файлы имеют еще четыре атрибута – только для чтения, системный, скрытый и архивный. Каждый из этих атрибутов имеет ровно два состояния – атрибут включен или атрибут выключен.

Включение атрибута только для чтения означает, что файл недоступен для внесения в него каких-либо изменений. Кроме того, усложнено уничтожение такого файла. Атрибут системный обычно включен только у основных файлов операционной системы. Атрибут скрытый включен у тех файлов, которые при просмотре списка файлов, находящихся на дисковом устройстве, командой операционной системы в этот список не включаются.

В операционных системах предусмотрен способ, упрощающий коллективные действия с файлами. Действие, которое нужно выполнить над группой файлов, задается только один раз, но вместе с действием указывается не полное имя одиночного файла, а специальное имя, которое позволяет операционной системе опознатьвсе файлы группы и затем выполнить над ними нужное действие. Такое имя называют групповым именем, шаблоном или маской. Групповое имя файлов образуется с помощью символов «*» и «?».

Символ *, встретившийся в групповом имени, трактуется операционной системой как «любая последовательность любых символов названия». Так, групповому имени а* соответствуют любые названия, начинающиеся с буквы «а»: а1, azbuka, a2z4.

Символ? воспринимается ОС как любой одиночный символ, то есть ему соответствует ровно один произвольный символ имени. Например, шаблону otchet?.doc соответствуют любые имена с расширением.doc, в названии которых за отрезком названия otchet следует ровно один символ, например otchet1.doc, otchet4.doc, otchet%.doc, otchet#.doc и т. д.

Еще несколько примеров:

Txt – файлы с любыми двухбуквенными именами и расширением.txt;

*.bak – файлы с любыми именами и расширением.bak;

prog1.* – файлы с названием progl и любым расширением;

*.* – файлы с любыми названиями и любыми расширениями.

Каталоги

Чтобы прочитать содержимое файла, необходимо знать его местоположение на дисковом устройстве. Каждый файл занимает на диске определенную группу секторов. Следовательно, местоположение файла можно задавать, указывая номера секторов и дорожек, занятых файлом. Однако такой способ указания местоположения файла очень неудобен, так как в этом случае пользователю необходимо знать номера всех секторов диска, которые отведены под файл. Для повышения эффективности обмена данными несколько подряд расположенных секторов объединяются в кластер , и обмен осуществляют сразу всей группой секторов (см. рис. 2.7). Такая схема организации обмена существенно увеличивает скоростьисполнения операций обмена данными с жесткими дисками. Чтобы не задавать три отдельных числа (номер рабочей поверхности, номер дорожки и номер сектора) в качестве адреса сектора, с которого начинается кластер, для всех кластеров диска введена единая, сплошная нумерация. Для определения кластера, в котором начинается файл, достаточно указывать только одно число – порядковый номер кластера на диске.

Каталогом называется таблица файловой системы диска, которая содержит список всех записанных на этот диск файлов. Для каждого файла в этой таблице указываются значения всех его атрибутов, а также номер первого выделенного файлу кластера.

Сточки зрения своего назначения каталог можно сравнить с оглавлением в книге, в котором для каждой главы указан начальный номер страницы, или с описью документов, хранящихся в шкафу. Как в книге для определения положения той или иной главы можно по названию главы в содержании книги определить, на какой странице она начинается, так и операционная система по названию файла находит в каталоге кластер, в котором он начинается.

Аналогия между каталогом и оглавлением в книге только частичнаяиз-за того, что кластерывыделяются файлу на диске не сплошным массивом, а в разброс, в то время как в книге все страницы главы размещаются подряд. Представьте себе, одна из глав книги занимает страницы 5, 15, 16, 17, 31, 123, 124 вместо того, чтобы занимать страницы 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 подряд. Такое не сплошноевыделение кластеров файлам организовано для того, чтобы оптимизировать использование свободного пространства диска при многочисленных уничтожениях и записях файлов.

Для того чтобы все-таки знать, какие именно кластеры и в каком порядке выделены для хранения файла, в файловой системе предусмотрена таблица размещения файлов (FAT). Каталог содержит только номер начального кластера файла. А таблица FAT – номера всех остальных занятых файлом кластеров. В подавляющем большинстве случаев пользователю не приходится работать с таблицей FAT, так как она заполняется при записи файла и анализируется при его считывании автоматически.

Для кластеров существует линейная адресация: все кластеры пронумерованы от 1 до 2n (здесь n – разрядность FAT). Для 16-разрядной FAT количество кластеров на диске составляет 216 = 65536. Не трудно вычислить, что для дисков емкостью 1 Гбайт кластер составляет 32 Кбайта.

Размер современных жестких дисков, как правило, превышает 1 Гбайт. При записи информации на такие диски значительная часть дискового пространства может тратиться впустую, поскольку, например, в случае 16-разрядной FAT файлы размером 31 Кбайт и менее 1 Кбайта занимают каждый одинаковое пространство на диске – 32 Кбайта. Неиспользованное пространство кластера называется «кластерным выступом». Потери на кластерные выступы тем больше, чем большее количество малых файлов записано на диске.

Самый естественный путь для повышения эффективности использования кластеров – это уменьшение их размеров. В настоящее время используется файловая система FAT32, в которой используется 232 кластера.

Рассмотренная выше простая структура каталога, в котором все файлы образуют один общий список, может обеспечить удовлетворительную работу операционной системы только в случае небольших объемов дискаи ограничивает общее число файлов, которые могут быть записаны на диск. Так, на гибких дисках объемом 1,44 Мбайт корневой каталог может содержать сведения не более чем о 224 файлах. А когда объем диска становится достаточно большим и, следовательно, на диске могут быть записаны сотни и тысячи файлов, простая структура каталога приводит к существенному замедлению процесса поиска файла на диске или переполнению каталога.

Каталог в операционных системах имеет более сложную структуру. Произвольные группы файлов каталога могут объединяться и образовывать подкаталоги .В некоторых операционных системах подкаталоги называются папками. Фактически подкаталоги, как и корневой каталог, являются таблицами, размещаемыми на диске и содержащими информацию об отнесенных к подкаталогу файлах. В отличие от корневого каталога положение подкаталогов на диске не привязано к системной области. Поэтому размеры подкаталогов могут быть достаточно произвольными, что позволяет снять ограничение на количество указываемых в подкаталоге файлов.

Подкаталоги создаются пользователями по своему усмотрению. Каждый подкаталог имеет собственное имя (обычно без расширения), которое подбирается по тем же правилам, что и имя файла.

Группировка и включение файлов в подкаталог могут производиться по любым критериям. Например, в отдельный подкаталог с названием WINDOWS (рис. 3.3)целесообразно собрать все файлы, имеющие отношение к операционной системе. Точно так же целесообразно сгруппировать в отдельный подкаталог все файлы, необходимые для работы какого-либо текстового редактора или игровой программы. Если на машине по очереди работают несколько пользователей, то имеет смысл организовать отдельные подкаталоги для каждого пользователя. Например, назвать подкаталоги именами: user1, user2, user3,... (user - пользователь), сгруппировав в подкаталоге user1 файлы первого пользователя, в подкаталоге user2 - второго и т.д. Кроме снятия количественных ограничений, связанных с использованием одного каталога, это создает определенную упорядоченность при хранении информации на дисках.

Все подкаталоги, находящиеся в корневом каталоге, относят к первому уровню. На рис. 3.3 подкаталогами первого уровня являются подкаталоги Windows, user1, Program files. Корневой каталог по отношению к включенным в него подкаталогам первого уровня называют родительским , а подкаталоги по отношению к корневому считаются дочерними или вложенными .

Каждый подкаталог первого уровня в свою очередь устроен точно так же, как и корневой. В подкаталоге первого уровня могут быть организованы подкаталоги второго уровня и т.д. Например, владелец подкаталога user1 может сгруппировать внутри этого подкаталога все подготовленные им отчеты в отдельный подкаталог с названием otcheti, а, скажем, файлы, содержащие информацию о деловых контактах, собрать в подкаталоге kontakti. Подкаталоги первого уровня по отношению к включенным в них подкаталогам второго уровня считаются родительскими. Подкаталоги второго уровня выступают в роли дочерних по отношению к подкаталогам первого уровня.

Рис. 3.3. Древовидная структура каталога

Каталог по своей структуре напоминает дерево. Корневой каталог можно сопоставить со стволом дерева, подкаталоги играют роль ветвей, а файлы являются листьями этого «дерева». Такая структура каталога называется древовидной или иерархической .

В операционных системах с графическим интерфейсом каталоги изображаются в виде папок. На рисунке показано дерево папок одного из дисков. Из рис. 3.4 видно, что в корневом каталоге имеется четыре папки: А, В, С и D. При этом внутри папки А находятся папки А1 и А2. В папке С располагаются папки С1 и С2. В папке А1 находится папка A11, а в последней – папка А111. Крестик на дереве говорит о том, что внутри соответствующих папок находятся другие папки (внутри папок D и А12 находятся папки, которые не видны). На этом рисунке не видны файлы, которые могут находиться как в корневом каталоге, так и в любой папке.

Рис. 3.4. Каталоги в виде папок

Путь к файлу

Операционная система осуществляет поиск файла в каталоге по его полному имени. Это означает, что в одном каталоге или подкаталоге в принципе не могут находиться два различных файла с одним и тем же именем. Напоминаем, что имя состоит из названия файла и его расширения. Не допускается также и наличие в одном каталоге или подкаталоге двух вложенных подкаталогов с одинаковыми именами.

В каталогах или подкаталогах допускается наличие файлов или дочерних подкаталогов с совпадающими именами. Но тогда для однозначного указания на нужный файл имени файла недостаточно. Для того чтобы отличить файлы с одним и тем же названием, необходимо указывать еще и подкаталоги, в которых они находятся. А в общем случае требуется указывать не один подкаталог, а всю цепочку подкаталогов, по которым необходимо пройти от корневого каталога до подкаталога, содержащего искомый файл, чтобы добраться до нужного файла и определить его местоположение.

Цепочка названий подкаталогов, по которым нужно пройти, начиная от корневого каталога и заканчивая подкаталогом, содержащим файл, называется путем или маршрутом к файлу .

В операционных системах MS DOS и Windows корневой каталог в пути указывается символом \. Этим же символом отделяются друг от друга названия подкаталогов в цепочке, а также имя файла от названия подкаталога, в котором он находится. Этот символ называется back slash – обратный слэш.

Таким образом, для файлов, находящихся в корневом каталоге (см. рис. 3.3), путем является только обозначение корневого каталога \, и файлы указываются следующим образом:

Файл из подкаталога user1 имеет путь \user1:

\user1\picture.bmp.

А путь к файлам из подкаталога kontakti должен включать названия обоих подкаталогов - \user1\kontakti:

\user1\kontakti\ivanov.doc,

\user1\kontakti\postavki.txt

Пути могут указываться не только к файлам, но и подкаталогам. Так, для подкаталога kontakti путем является \user1.

Так как всостав компьютера входит несколько различных дисковых устройств, для однозначного определения файла необходимо указать, на каком именно устройстве он находится. Это можно сделать, задавая название дискового устройства, содержащего файл. Название устройства принято размещать перед путем к файлу. Полное имя файла (спецификация файла) содержит

ü название устройства,

ü путь к файлу,

ü имя файла.

<имя носителя>\<имя каталога-1>\...\<имя каталога-N>\<собственное имя файла>.

Если, например, каталог, структура которого приведена на рис. 3.3, находится на жестком диске С:, то полная спецификация файла postavki.txt имеет вид:

C:\user1\kontakti\postavki.txt

Если этот каталог находится на гибком диске, то есть на дисковом устройстве А:, то спецификация запишется следующим образом:

A:\user1\kontakti\postavki.txt

Полная спецификация файла полностью и однозначно определяет нужный файл, что и требуется операционной системе для того, чтобы точно выполнять команды пользователя. Если же в записи спецификации файла будет сделана малейшая ошибка, скажем, пропущен или искажен хотя бы один символ, операционная система найти такой файл не сможет.

Различные операционные системы поддерживают различные файловые системы . Ваш съемный диск должен использовать FAT32 для лучшей совместимости, но если Вы планируете хранить большие файлы – то форматируйте в NTFS. Mac форматирует диски в стандарт HFS+, который не работает с Windows. В Linux тоже есть свои файловые системы.

Почему их так много?

Файловая системы 101

Различные файловые системы – это просто различные способы организации и хранения файлов на жестком диске, флэш-диске или любом другом устройстве хранения. Каждое запоминающее устройство имеет одну или несколько секций, и каждая секция должна быть «отформатирована» в режим определенной файловой системы. Процесс форматирования создает пустую файловую систему такого типа на устройстве.

Файловая система обеспечивает способ разделения данных на диске на отдельные части, которые являются файлами. Он также предоставляет способ хранения данных об этих файлах – например, их имён, разрешений и других атрибутов. Файловая система также предоставляет индекс-список файлов на диске и где они расположены на диске, так что операционная система может видеть, что на диске в одном месте, и ей не придётся «прочесывать» весь диск, чтобы найти файл .

Операционная система должна понимать файловую систему, чтобы она могла отображать её содержимое, открывать файлы и сохранять в них файлы. Если ваша операционная система не понимает файловую систему, Вы можете установить драйвер файловой системы, который обеспечивает поддержку такой файловой системы.

Файловую систему компьютерного диска можно сравнить с системой организации хранения документов – биты данных на компьютере называются «файлами», и они организованы в «файловой системе», как бумажные файлы могут быть организованы в файловые шкафы. Существуют разные способы организации этих файлов и хранения данных – это есть «файловые системы».

Почему так много файловых систем

Не все файловые системы равнозначны. Различные файловые системы имеют различные способы организации своих данных. Некоторые файловые системы работают быстрее, чем другие, некоторые имеют дополнительные функции безопасности , а некоторые поддерживают диски с большими объемами памяти, в то время как другие работают только на дисках с меньшим объемом памяти. Некоторые файловые системы более надежны и устойчивы к повреждению файлов, в то время как другие снижают надежность в угоду скорости.

Не существует лучшей файловой системы , которая подходила бы для всех целей. Каждая компьютерная операционная система имеет тенденцию использовать свою собственную файловую систему, над которой также работают разработчики операционной системы. Microsoft, Apple и разработчики ядра Linux работают над своими файловыми системами. Новые файловые системы могут быть быстрее, стабильнее, лучше масштабироваться для более крупных устройств хранения данных и иметь больше возможностей, чем старые.

Файловая система не похожа на раздел , который является просто куском пространства для хранения. Файловая система определяет, как файлы раскладываются, организовываются, индексируются и как с ними связаны метаданные. Всегда есть возможность настроить и улучшить как это делается.

Переключение файловых систем

Каждый раздел имеет файловую систему. Иногда вы можете «конвертировать» файловую систему раздела, но это редко возможно. Вместо этого, вероятно, Вам придётся сначала скопировать важные данные из раздела.

Операционные системы автоматически форматируют разделы в соответствующую файловую систему в процессе установки . Если у вас есть раздел в формате Windows, на который вы хотите установить Linux, в процессе установки Linux отформатирует раздел NTFS или FAT32 в файловую систему Linux, предпочтительную для вашего дистрибутива Linux.

Таким образом, если у вас есть устройство хранения данных и вы хотите использовать другую файловую систему, просто скопируйте файлы с него, чтобы создать их резервную копию . Затем воспользуйтесь инструментом Управление дисками в Windows, gparted в Linux или дисковой утилитой в Mac OS.

Обзор распространенных файловых систем

Вот краткий обзор некоторых из наиболее распространенных файловых систем, с которыми вы столкнетесь. Он не является исчерпывающим – существует много других файловых систем для специальных задач:

• FAT32 : является одной из наиболее старых файловых систем Windows, но он всё ещё используется на съемных носителях – небольших по объему. Большие внешние жесткие диски объемом 1 ТБ или более будут, в любом случае, отформатированы с помощью NTFS. FAT32 имеет смысл использовать только с небольшими устройствами хранения или для совместимости с другими устройствами, такими как цифровые камеры, игровые консоли, приставки и другие устройства, которые поддерживают только FAT32, но NTFS.
• NTFS : современная версия файловой системы Windows – используется начиная с Windows XP. Внешние диски могут быть отформатированы с помощью FAT32 или NTFS.
• HFS+ : Mac использует HFS+ для своих внутренних разделов, ей же форматирует внешние диски – для использования внешнего жесткого диска с Time Machine требуется, чтобы атрибуты файловой системы можно было добавлять в резервную копию. Маки также могут читать и записывать файлы в файловые системы FAT32, но Вам понадобится стороннее программное обеспечение для записи в файловые системы NTFS с Mac.
• Ext2 / Ext3 / Ext4 : Вы будете часто видеть файловые системы ext2, ext3 и ext4 в Linux. Ext2 является более старой файловой системой, и она не имеет важных функций, таких как ведение журнала – если питание гаснет или компьютер аварийно завершает работу во время записи на диск ext2, данные могут быть потеряны. Ext3 добавляет эти характеристики робастности за счет некоторой скорости. Ext4 является более современным и быстрым вариантом – это файловая система используется по умолчанию на большинстве дистрибутивов Linux. Windows и Mac не поддерживают эти файловые системы – вам понадобится сторонний инструмент для доступа к файлам в таких файловых системах. Вместе с тем, Linux может читать и записывать как в FAT32, так и в NTFS.
• Btrfs : это новая файловая система Linux, которая всё ещё находится в разработке. На данный момент он не является стандартным для большинства дистрибутивов Linux, но, вероятно, однажды заменит Ext4. Цель состоит в том, чтобы предоставить дополнительные функции, которые позволяют Linux масштабировать до больших объемов хранения.
• Swap : в Linux файловая система «swap», на самом деле, не является файловой системой. Раздел, отформатированный как «swap», может быть использован в качестве пространства подкачки операционной системы – как файл подкачки Windows, но требует специальный раздел.

Существуют и другие файловые системы, особенно в Linux и других Unix-подобных системах.

Типичный пользователь компьютера не должен знать большую часть этого материала – но знание основ поможет Вам понять такие вопросы, как: «почему этот диск в формате Mac не работает с моим ПК на Windows?» и «должен ли я отформатировать этот жесткий диск USB как FAT32 или NTFS?».

Так же, как и при установке новой копии Windows, о разбиении винчестера на разделы нужно продумать заранее. Есть несколько вещей, которые вы должны знать о разделах, которые требуются при установке Ubuntu Linux. Установка Ubuntu требует как минимум двух разделов: один для самой операционной системы - обозначается «/» и называется «root» (корневой раздел), а второй для виртуальной памяти (для файлов подкачки) - называется «swap». Есть еще третий раздел - Home, создается по желанию, на нем будут храниться основные настройки приложений и файлы пользователя.

Разделы жесткого диска

Раздел - часть долговременной памяти жёсткого диска или флеш-накопителя, выделенная для удобства работы, и состоящая из смежных блоков. На одном устройстве хранения может быть несколько разделов.

Создание разделов на различных видах современных накопителей почти всегда предусмотрено (хотя, к примеру, на, ныне уже не используемых, флоппи-дисках было невозможно создать несколько разделов). Однако в Windows, с флешки с несколькими разделами будет доступен только первый из них (в Windows принято считать флешки аналогом флоппи-диска, а не жесткого диска).

Преимущества использования нескольких разделов

Выделение на одном жёстком диске нескольких разделов даёт следующие преимущества:

На одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с разным размером кластера (например, выгодно хранить файлы большого размера - например, видео - отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища больших файлов);

Можно отделить информацию пользователя от файлов операционной системы;

На одном жёстком диске можно установить несколько операционных систем;

Манипуляции с одной файловой системой не сказываются на других файловых системах.

Таблица разделов жесткого диска

Существует несколько типов таблиц разделов жестких дисков. Наиболее распространенной на данным момент являемся IBM-PC совместимая таблица разделов, являющаяся частью главной загрузочной записи (MBR). MBR располагается в первом(нулевом) физическом секторе жесткого диска. Однако в последнее время начинает все чаще использоваться таблица GPT (GUID Partition Table). Если ваш диск имеет таблицу разбиения GPT, то вам не нужно заботится о количестве разделов (в GPT по умолчанию зарезервировано место под 128 разделов) и разбираться с типами разделов (в GPT - все разделы первичные). Если у вас MBR разбивка - то в данной статье приводится детальное описание такого разбиения диска.

Структура диска, разбитого на разделы (MBR)

Информация о размещении разделов на жёстком диске хранится в таблице разделов, которая является частью главной загрузочной записи (MBR).

Раздел может быть либо первичным , либо расширенным .

В первом секторе каждого первичного раздела находится загрузочный сектор, отвечающий за загрузку операционной системы с этого раздела. Информация о том, какой раздел будет использован для загрузки операционной системы, тоже записана в главной загрузочной записи.

В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись занимает 16 байт. Таким образом, всего на жестком диске может быть создано не более 4 разделов. Когда разрабатывалась структура MBR, это считалось достаточным. Однако, позднее был введён расширенный раздел , в котором можно прописать несколько логических разделов.

По правилам расширенный раздел может быть только один. Таким образом, в максимальной конфигурации на жёстком диске может быть сформировано три первичных и один расширенный раздел, содержащий несколько логических .

Виды разделов

Первичный (основной) раздел

Первичный раздел обязательно должен быть на физическом диске. Этот раздел всегда содержит либо одну файловую систему, либо другие логические разделы. На физическом диске может быть до четырёх первичных разделов. Некоторые старые операционные системы - например, MS -DOS и Windows - могли быть установлены только на первичный раздел.

Расширенный и Логические разделы

Таблица разделов может содержать не более 4 первичных разделов, поэтому были изобретёны расширенный разделы. В расширенном разделе можно создать несколько логических разделов. Логические разделы выстраиваются в цепочку где информация о первом логическом разделе храниться в MBR, а информация о последующем хранится в первом секторе логического раздела. Такая цепочка позволяет (в теории) создавать неограниченное количество разделов, но (на практике) число логических разделов ограничивается утилитами и, обычно, больше 10 логических разделов не создать.

Важно отметить что некоторые версии Windows не могут загрузиться с логического раздела (нужен обязательно первичный раздел), тогда как для Linux никакой разницы в виде разделов - нет, Linux загружается и работает с разделами совершенно независимо от их вида (первичный или логический).

Выбор файловой системы

Подобно Windows, Linux за свою жизнь повидала несколько разных файловых систем. Ubuntu «понимает» файловые системы Windows, но не установится на них. Ubuntu может сразу же записывать и считывать из разделов FAT16, FAT32 и VFAT и NTFS. Однако Windows не может работать с файловыми системами Linux, и вам придётся передавать файлы в и из Windows из-под операционной системы Ubuntu.

Помимо знакомых файловых систем Windows, вы можете выбрать несколько таких, которые вы, возможно, не знаете. Среди таких файловых систем - ext4 . Ext4 в настоящий момент является одной из самых подходящих файловых систем для настольной системы. Файловые системы ext3 и ext2 сейчас используются редко: ext3 - чуть более старая версия ext4, и не имеет никаких преимуществ перед ext4, а ext2 не имеет журналирования , без него при, системном сбое будет трудно восстановить данные. Файловые системы BTRFS, XFS, ReiserFS, Reiser4, JFS и т.д. также можно использовать, однако их стоит выбирать исходя из понимания особенностей этих ФС (стоит почитать немного о разных ФС, что бы сделать правильный выбор). Раздел «swap» предназначен только для виртуальной памяти и в отличие от других файловых систем ему не требуется точка монтирования.

Точки монтирования

Linux не назначает буквы каждому диску и разделу, как в Windows и DOS. Вместо этого вы должны задать точку монтирования для каждого диска и раздела. Linux работает по принципу иерархического дерева каталогов, где корневой каталог ( /) является основной точкой монтирования, в которую по умолчанию входят все остальные. В отличии от Windows в Linux все используемые разделы дисков монтируются в подкаталоги корня, а не как отдельные устройства (C:, D: …).

К примеру, в /home хранятся все ваши персональные файлы. Если вы хотите разместить эти данные в отдельном от корня разделе, то создадите новый раздел и установите точку монтирования на /home . Это можно сделать для любого подкаталога. Во время установки Ubuntu предоставляет возможность задать следующие точки монтирования: /boot (начальный загрузчик и заголовки ядра), /dev (драйверы и устройства), /home (пользовательские файлы), /opt (дополнительное программное обеспечение), /srv (системные сервисы) /tmp (временные файлы), /usr (приложения), /usr/local (данные, доступные всем пользователям) и /var (server spool и логи). Также при установке можно создать и свои точки монтирования с произвольными именами.

Для типичной настольной системы нет никакого смысла выделять собственные разделы для /dev , /opt , /srv , /tmp , /usr/local и /var . Если вы планируете запускать более двух операционных систем или использовать шифрование корневого раздела, то возможно потребуется отдельный раздел для /boot . Иногда стоит также создать раздел для /usr , но только если вы уже имеете чёткое представление о том, сколько места займут приложения. Желательно создать отдельный раздел для /home . Это предоставит вам дополнительные удобства при обновлении и переустановке системы.

Минимально можно ограничится только двумя разделами: «root» и «swap», тогда /boot , /home , /usr и все остальные будут просто храниться в корневом разделе ( /).

Структура файловой системы

Объем раздела для корня файловой системы

Свежеустановленная система Ubuntu занимает 4-6 Гб дискового пространства, однако при активном использовании (установке большого количества программ, увеличении кэша программ, и т.д.) или возникновении сбоев в работе, что приводит к росту объема папок с логами системы (/var/log ) может понадобиться большее количество дискового пространства, поэтому для корня файловой системы необходимо выделять раздел 10-15Гб.

Объем раздела для /home

Разделу с папкой /home обычно отдают всё оставшееся пространство, если Ubuntu будет единственной системой на ПК и все мультимедиа данные будут храниться в ней, или, в случае установки рядом с Windows, выделяют отдельный раздел в формате NTFS для мультимедиа данных, а раздел для /home делают минимальным только для хранения файлов конфигурации.

Перенос папки /home на новый раздел после установки

Часто возникает желание привести в порядок неправильно разбитый жесткий диск при установке Ubuntu. При этом возникает необходимость перенести папку /home на отдельный раздел жесткого диска. Ниже приведена краткое руководство действий для выполнения этой задачи.

Создание отдельного раздела

new_home

по опыту в повседневной работе система не требует более 1Гб оперативной памяти, значит если у вас установлено 4 и более Гб оперативной памяти, то для целей подкачки SWAP не нужен