Организация подсистемы ввода-вывода операционной системы

Файловая система позволяет  при помощи системы справочников (каталогов, директорий)  связать уникальное имя файла с блоками  вторичной памяти, содержащими данные файла. Иерархическая структура каталогов, используемая для управления файлами, является другим примером индексной структуры.  В этом случае каталоги или папки играют роль индексов, каждый из которых содержит ссылки на свои подкаталоги. С этой точки зрения вся файловая система компьютера представляет собой большой индексированный файл.

Понятие «файловая система» включает:

• совокупность всех файлов на диске,
• наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,
• комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Файлы управляются ОС. То, как они структурированы, поименованы, используются, защищены, реализованы – одна из главных тем проектирования ОС.

Основные функции файловой системы:

1. Идентификация файлов. Связывание имени файла с выделенным ему пространством внешней памяти.
2. Распределение внешней памяти между файлами. Для работы с конкретным файлом не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем носителе информации. Например, для того, чтобы загрузить документ в редактор с жесткого диска нам не требуется знать на какой стороне какого магнитного диска и на каком цилиндре и в каком секторе находится требуемый документ.
3. Обеспечение надежности и отказоустойчивости. Стоимость информации может во много раз превышать стоимость компьютера.
4. Обеспечение защиты от НСД.
5. Обеспечение совместного доступа к файлам, не требуя от пользователя специальных усилий по обеспечению синхронизации доступа.
6. Обеспечение высокой производительности.

2.1 Имена файлов

Файлы – абстрактные  объекты. Они предоставляют пользователям  возможность сохранять информацию, скрывая от него детали того, как и где она хранится и то, как диски в действительности работают. Вероятно, одна из наиболее важных характеристик любого абстрактного механизма – способ именования объектов, которыми он управляет. Когда процесс создает файл, он дает файлу имя. После завершения процесса файл продолжает существовать и через свое имя может быть доступен другим процессам.

Многие ОС поддерживают имена из двух частей (имя+расширение), например progr.c(файл, содержащий текст программы на языке Си) или autoexec.bat (файл, содержащий команды интерпретатора командного языка).  Тип расширения файла позволяет ОС организовать работу с ним различных  прикладных  программ в соответствии  с  заранее оговоренными соглашениями.

Обычно ОС накладывают некоторые ограничения, как на используемые в имени символы, так и на длину имени.  Например, в ОС Unix учитывается регистр при вводе имени  файла (case sensitive), а в MS-DOS – нет.  В популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени). Современные файловые системы, как правило, поддерживают более удобные для пользователя длинные символьные имена файлов.  Так, в соответствии со стандартом POSIX,  в ОС UNIX  допускаются имена длиной до 255 символов, та же самая длина устанавливается для имен файлов и в ОС  Windows NT для файловой системы NTFS.

2.2 Типы и атрибуты  файлов

Важный аспект дизайна  файловой системы и ОС - следует  ли поддерживать и распознавать типы файлов. Если да, то это может помочь правильному функционированию ОС, например не допустить вывода на принтер бинарного файла.

К типам файлов, поддерживаемых современными ОС, относят регулярные (обычные) файлы и директории. Обычные (регулярные) файлы содержат пользовательскую информацию. Директории (справочники, каталоги) - системные файлы,  поддерживающие структуру файловой системы. В каталоге содержится перечень файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами). Мы будем рассматривать директории ниже.

Хотя внутри подсистемы управления файлами обычный файл представляется в виде набора блоков внешней памяти, для пользователей обеспечивается представление файла в виде линейной последовательности байтов. Такое представление позволяет использовать абстракцию файла при работе с внешними устройствами, при организации межпроцессных взаимодействий и т.д.  Поэтому, иногда к файлам приписывают другие объекты ОС, например, специальные символьные файлы и специальные блочные файлы, именованные каналы и сокеты, имеющие  файловый интерфейс. Эти объекты рассмотрены в других разделах данного курса.

Обычные (или регулярные) файлы реально представляют собой набор блоков (возможно, пустой) на устройстве внешней памяти, на котором поддерживается файловая система. Такие файлы могут содержать как текстовую информацию (обычно в формате ASCII), так и произвольную двоичную информацию.

Обычные регулярные файлы бывают  - ASCII и бинарные.  
ASCII файлы  содержат строки текста, которые  можно распечатать, увидеть на экране или редактировать обычным текстовым редактором.

Другой тип файлов – бинарные файлы, означает, что  это не ASCII файлы. Обычно они имеют  некоторую  внутреннюю  структуру. Например, выполнимый Unix файл имеет пять секций: заголовок, текст, данные, биты реаллокации и символьную таблицу. ОС выполняет  файл, только если он имеет нужный формат.   Другим примером бинарного файла может быть архивный файл.

Типизация файлов не слишком  строгая.  
Обычно прикладные программы, работающие с файлами, распознают тип файла по его имени в соответствии с общепринятыми соглашениями. Например, файлы с расширениями .c, .pas, .txt – ASCII файлы, файлы с расширениями .exe – выполнимые, файлы с расширениями .obj, .zip – бинарные и т.д.

Помимо имени  ОС часто  связывают  с каждым файлом и  другую информацию, например дату модификации, размер и т.д.  Эти другие характеристики файлов  называются атрибутами.  Список атрибутов может варьироваться от одной ОС к другой.  Он может включать: атрибуты защиты, пароль, имя создателя, флаги  скрытости, архивности, системности, бинарности, тип доступа, длину записи, позицию ключа, время, дату, размер  и т.д.

Эта информация обычно хранится в структуре директорий (см. раздел реализация директорий) или других структурах, обеспечивающих доступ к данным файла.

Используемая литература:

1. Кастер Хелен. Основы Windows NT и NTFS. М.: Русская редакция. 2005.
2. Ахо В., Хопкрофт Д., Ульман Д. Структуры данных и алгоритмы. "Вильямс". 2007.
3. Дейтел Г. Введение в операционные системы. М.: Мир. 2008.
4. Олифер В.Г., Олифер Н.А.. Сетевые операционные системы. - Издательский дом <Питер>, 2005.
5. В.П. ЛЕОНТЬЕВ., Персональный компьютер., М:, «Олма – пресс» 2009 г.