ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМЫ

 

1.                Файловая система

Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.  

1.1.                     1. Численные и информационные прикладные системы

1.1.

Во всей истории вычислительной техники можно проследить две основных области ее использования.

Первая область - применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Развитие этой области способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.

Вторая область, которая непосредственно относится к теме наших лекций, - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. В самом широком смысле информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, функции которого состоят в надежном хранении информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно такие системы имеют дело с большими объемами информации, и эта информация имеет достаточно сложную структуру.

Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.

Вторая область использования вычислительной техники возникла несколько позже первой. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были очень ограниченными. Говорить о надежном и долговременном хранении информации можно только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электрического питания. Оперативная (основная) память компьютеров этим свойством обычно не обладает.

В первых компьютерах использовались два вида устройств внешней памяти - магнитные ленты и барабаны. Емкость магнитных лент была достаточно велика, но по своей физической природе они обеспечивали последовательный доступ к данным. Магнитные же барабаны (они больше всего похожи на современные магнитные диски с фиксированными головками) давали возможность произвольного доступа к данными, но были ограниченного размера.

Эти ограничения не являлись слишком существенными для чисто численных расчетов. Даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти (например, на последовательной магнитной ленте), обеспечивающее эффективное выполнение этой программы.

Но для информационных систем, в которых потребность в текущих данных определяется конечным пользователем, наличие только магнитных лент и барабанов неудовлетворительно. Представьте себе покупателя билета, который, стоя у кассы, должен дождаться полной перемотки магнитной ленты. Одним из естественных требований к таким системам является удовлетворительная средняя скорость выполнения операций.

Как кажется, именно требования нечисленных приложений вызвали появление съемных магнитных дисков с подвижными головками, что явилось революцией в истории вычислительной техники. Эти устройства внешней памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны, обеспечивали удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволяла иметь практически неограниченный архив данных.

С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти. До этого каждая прикладная программа, которой требовалось хранить данные во внешней памяти, сама определяла расположение каждой порции данных на магнитной ленте или барабане и выполняла обмены между оперативной памятью и устройствами внешней памяти с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня (машинных команд или вызовов соответствующих программ операционной системы). Такой режим работы не позволяет или очень затрудняет поддержание на одном внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации данных во внешней памяти.

1.2.                     Файловые системы

1.2.

Историческим шагом явился переход к использованию централизованных систем управления файлами. С точки зрения прикладной программы, файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа файла. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске,

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых системах одному и тому же файлу не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимно-однозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и используется программами операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Все современные файловые системы поддерживают многоуровневое именование файлов за счет поддержания во внешней памяти дополнительных файлов со специальной структурой - каталогов. Каждый каталог содержит имена каталогов и/или файлов, содержащихся в данном каталоге. Таким образом, полное имя файла состоит из списка имен каталогов плюс имя файла в каталоге, непосредственно указывающем на данный файл. Разница между способами именования файлов в разных файловых системах состоит в том, с чего начинается эта цепочка имен.

Имеются два крайних варианта. Во многих системах управления файлами требуется, чтобы каждый архив файлов (полное дерево справочников) целиком располагался на одном дисковом пакете (или логическом диске, разделе физического дискового пакета, представляемом с помощью средств операционной системы как отдельный диск). В этом случае полное имя файла начинается с имени дискового устройства, на котором установлен соответствующий диск. Такой способ именования используется в файловых системах фирмы DEC, очень близко к этому находятся и файловые системы персональных компьютеров. Можно назвать эту организацию поддержанием изолированных файловых систем.

Другой крайний вариант был реализован в файловых системах операционной системы Multics. Эта система заслуживает отдельного большого разговора, в ней был реализован целый ряд оригинальных идей, но мы остановимся только на особенностях организации архива файлов. В файловой системе Miltics пользователи представляли всю совокупность каталогов и файлов как единое дерево. Полное имя файла начиналось с имени корневого каталога, и пользователь не обязан был заботиться об установке на дисковое устройство каких-либо конкретных дисков. Сама система, выполняя поиск файла по его имени, запрашивала оператора об установке необходимых дисков. Такую файловую систему можно назвать полностью централизованной.

Конечно, во многом централизованные файловые системы удобнее изолированных: система управления файлами принимает на себя больше рутинной работы. Но в таких системах возникают существенные проблемы, если кому-то требуется перенести поддерево файловой системы на другую вычислительную установку.

 Компромиссное решение применено в файловых системах ОС UNIX. На базовом уровне в этих файловых системах поддерживаются изолированные архивы файлов. Один из этих архивов объявляется корневой файловой системой. После запуска системы можно "смонтировать" корневую файловую систему и ряд изолированных файловых систем в одну общую файловую систему. Технически это производится с помощью создания в корневой файловой системе специальных пустых каталогов. Специальный системный вызов mount ОС UNIX позволяет подключить к одному из этих пустых каталогов корневой каталог указанного архива файлов. После монтирования общей файловой системы именование файлов производится так же, как если бы она с самого начала была централизованной. Если учесть, что обычно монтирование файловой системы производится при раскрутке системы, то пользователи ОС UNIX обычно и не задумываются об исходном происхождении общей файловой системы.

Типы файлов  

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

 

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX. Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня.

Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

 

 

Режим многопользовательского доступа

Последнее, на чем мы остановимся в связи с файлами, это способы их использования в многопользовательской среде. Если операционная система поддерживает многопользовательский режим, вполне реальна ситуация, когда два или более пользователя одновременно пытаются работать с одним и тем же файлом. Если все пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет. Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для корректной работы этих пользователей требуется взаимная синхронизация.

В системах управления файлами обычно применялся следующий подход. В операции открытия файла (первой и обязательной операции, с которой должен начинаться сеанс работы с файлом) среди прочих параметров указывался режим работы (чтение или изменение). Если к моменту выполнения этой операции от имени некоторого пользовательского процесса A файл уже находился в открытом состоянии от имени некоторого другого процесса B, причем файл был открыт в режиме, который несовместим с желаемым режимом открытия (совместимы только режимы чтения), то в зависимости от особенностей системы процессу A либо сообщалось о невозможности открытия файла в желаемом режиме, либо он блокировался до тех пор, пока в процессе B не выполнялась операция закрытия файла.

Заметим, что в ранних версиях файловой системы ОС UNIX вообще не были предусмотрены какие бы то ни было средства синхронизации параллельного доступа к файлам. Операция открытия файла выполнялась всегда для любого существующего файла, если пользователь, от имени которого выполнялся процесс, имел соответствующие права доступа. При совместной работе синхронизацию приходилось производить вне файловой системы (и специальных средств для этого ОС UNIX не предоставляла). В современных реализациях файловых систем ОС UNIX по выбору поддерживается синхронизация при открытии файлов. Кроме того, существует возможность синхронизации нескольких процессов, параллельно модифицирующих один и тот же файл. Для этого введен специальный механизм синхронизационных блокировок диапазонов адресов открытого файла.

 

Права доступа к файлу

Определить права доступа к файлу - значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

и другие операции с файлами и каталогами.

В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции. В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.

Различают два основных подхода к определению прав доступа:

 

 

Потребности информационных систем

 

Файловые системы обычно обеспечивают хранение слабо структурированной информации, оставляя дальнейшую структуризацию прикладным программам.

Однако для информационных систем ситуация коренным образом отличается. Эти системы главным образом ориентированы на хранение, выбор и модификацию постоянно хранимой информации. Структура информации обычно очень сложна, и хотя структуры данных различны в разных информационных системах, между ними часто бывает много общего. На начальном этапе использования вычислительной техники проблемы структуризации данных решались индивидуально в каждой информационной системе. Производились необходимые надстройки (библиотеки программ) над файловыми системами, подобно тому, как это делается в компиляторах, редакторах и т. д.

Но поскольку в информационных системах требуется поддержка сложных структур данных, эти индивидуальные средства управления данными составляли существенную часть информационных систем, практически повторяясь (как программные компоненты) от одной системы к другой. Стремление выделить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными явилось, на наш взгляд, первой побудительной причиной создания СУБД, которая, возможно, могла бы представлять некоторую общую библиотеку программ, доступную каждой информационной системе.

Однако очень скоро стало понятно, что невозможно обойтись такой общей библиотекой программ, реализующей над стандартной базовой файловой системой более сложные методы хранения данными. Поясним это на примере. Предположим, что мы хотим реализовать простую информационную систему, поддерживающую учет сотрудников некоторой организации. Система должна выдавать списки сотрудников в соответствии с указанными номерами отделов, поддерживать регистрацию перевода сотрудника из одного отдела в другой, приема на работу новых сотрудников и увольнения работающих. Для каждого отдела должна поддерживаться возможность получения имени руководителя этого отдела, общей численности отдела, общей суммы выплаченной в последний раз зарплаты и т. д. Для каждого сотрудника должна поддерживаться возможность выдачи номера удостоверения по полному имени сотрудника, выдачи полного имени по номеру удостоверения, получения информации о текущем соответствии занимаемой должности сотрудника и о размере зарплаты.

Предположим, что мы решили реализовать эту информационную систему на основе файловой системы и пользоваться при этом одним файлом, расширив базовые возможности файловой системы за счет специальной библиотеки функций. Поскольку минимальной информационной единицей в нашем случае является сотрудник, естественно потребовать, чтобы в этом файле содержалась одна запись для каждого сотрудника. Очевидно, что поля таких записей должны содержать полное имя сотрудника (СОТР_ИМЯ), номер его удостоверения (СОТР_НОМЕР), информацию о его соответствии занимаемой должности (СОТР_СТАТ - для простоты, "да" или "нет"), размер зарплаты (СОТР_ЗАРП), номер отдела (СОТР_ОТД_НОМЕР). Поскольку мы хотим ограничиться одним файлом, эта же запись должна содержать имя руководителя отдела (СОТР_ОТД_РУК).

Для выполнения функций нашей информационной системы требуется возможность многоключевого доступа к этому файлу по уникальным ключам (недублируемым в разных записях) СОТР_ИМЯ и СОТР_НОМЕР. Кроме того, должна обеспечиваться возможность выбора всех записей с общем заданным значением СОТР_ОТД_НОМЕР, то есть доступ по неуникальному ключу. Чтобы получить численность отдела или общий размер зарплаты, информационная система должна будет каждый раз выбирать все записи о сотрудниках отдела и подсчитывать соответствующие общие значения.

Таким образом, для реализации даже такой простой системы на базе файловой системы, во-первых, требуется создание достаточно сложной надстройки, обеспечивающей многоключевой доступ к файлам, и во-вторых, неизбежны существенная избыточность хранения (для каждого сотрудника данного отдела повторяется имя руководителя отдела) и выполнение массовой выборки и вычислений для получения сводной информации об отделах. Кроме того, если в ходе эксплуатации системы возникнет потребность, например, выдавать списки сотрудников, получающих заданную зарплату, то придется либо полностью просматривать файл, либо реструктуризовывать его, объявляя ключевым поле СОТР_ЗАРП.

Первое, что приходит на ум, - начать поддерживать два многоключевых файла СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ: первый файл должен содержать поля СОТР_ИМЯ, СОТР_НОМЕР, СОТР_СТАТ, СОТР_ЗАРП и СОТР_ОТД_НОМЕР, а второй - ОТД_НОМЕР, ОТД_РУК, СОТР_ЗАРП (общий размер зарплаты) и ОТД_РАЗМЕР (общее число сотрудников в отделе). Тогда большая часть неудобств, перечисленных в предыдущем абзаце, будет преодолена. Каждый из файлов будет содержать только недублируемую информацию, необходимость в динамических вычислениях сводной информации не возникнет. Но заметим, что после такого перехода информационная система будет обладать некоторыми новыми возможностями, сближающими ее с СУБД.

Прежде всего, теперь система должна знать, что она работает с двумя информационно связанными файлами (это шаг в сторону схемы базы данных), ей должны быть известны структура и смысл каждого поля (например, что СОТР_ОТД _НОМЕР в файле СОТРУДНИКИ и ОТД_НОМЕР в файле ОТДЕЛЫ означают одно и то же), а также понимать, что в ряде случаев изменение информации в одном файле должно вызывать модификацию второго файла, чтобы общее содержимое файлов было согласованным. Например, если на работу принимается новый сотрудник, то необходимо добавить запись в файл СОТРУДНИКИ, а также соответствующим образом изменить поля ОТД_ЗАРП и ОТД_РАЗМЕР в записи файла ОТДЕЛЫ, описывающей отдел этого сотрудника.

Вообще, согласованность данных является ключевым понятием баз данных. На самом деле, если информационная система (даже такая простая, как в нашем примере) поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее системой управления базами данных. Уже только требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функций: такая система должна обладать некоторыми собственными данными (мета-данными) и даже знаниями, определяющими целостность данных.

Но это еще не все, что обычно требуют от СУБД. Во-первых, даже в нашем примере неудобно реализовывать такие запросы, как "выдать общую численность отдела, в котором работает Хлебов Дмитрий Геннадьевич". Было бы гораздо проще, если бы СУБД позволяла сформулировать такой запрос на близком пользователям языке. Такие языки называются языками запросов к базам данных. Например, на языке SQL наш запрос можно было выразить в форме

SELECT ОТД_РАЗМЕР

FROM СОТРУДНИКИ, ОТДЕЛЫ

WHERE СОТР_ИМЯ = " Хлебов Дмитрий Геннадьевич"

AND СОТР_ОТД_НОМЕР = ОТД_НОМЕР

При формулировании запроса СУБД позволит не задумываться о том, каким образом будет выполняться этот запрос. Среди ее метаданных будет содержаться информация о том, что поле СОТР_ИМЯ является ключевым для файла СОТРУДНИКИ, а ОТД_НОМЕР - для файла ОТДЕЛЫ, и система сама воспользуется этим. Если же возникнет потребность в получении списка сотрудников, не соответствующих занимаемой должности, то достаточно предъявить системе запрос

SELECT СОТР_ИМЯ, СОТР_НОМЕР

FROM СОТРУДНИКИ

WHERE СОТР_СТАТ = "НЕТ",

и система сама выполнит необходимый полный просмотр файла СОТРУДНИКИ, поскольку поле СОТР_СТАТ не является ключевым.

Далее, представим себе, что в первоначальной реализации информационной системы, основанной на использовании библиотек расширенных методов доступа к файлам, обрабатывается операция регистрации нового сотрудника. Следуя требованиям согласованного изменения файлов, информационная система вставила новую запись в файл СОТРУДНИКИ и собралась модифицировать запись файла ОТДЕЛЫ, но именно в этот момент произошло аварийное выключение электрического питания. Очевидно, что после перезапуска системы ее база данных будет находиться в рассогласованном состоянии. Потребуется выяснить это (а для этого нужно явно проверить соответствие информации с файлах СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ) и привести информацию в согласованное состояние. Настоящие СУБД берут такую работу на себя. Прикладная система обязана знать, какое состояние данных является корректным, но всю техническую работу принимает на себя СУБД.

Наконец, представим себе, что мы хотим обеспечить параллельную (например, многотерминальную) работу с базой данных сотрудников. Если опираться только на использование файлов, то для обеспечения корректности изменений на все время модификации любого из двух файлов доступ других пользователей к этому файлу будет блокирован (вспомните возможности файловых систем для синхронизации параллельного доступа). Таким образом, зачисление на работу Петра Ивановича Сидорова существенно затормозит получение информации о сотруднике Иване Сидоровиче Петрове, даже если они будут работать в разных отделах. Настоящие СУБД обеспечивают гораздо более тонкую синхронизацию параллельного доступа к данным.

Таким образом, СУБД решают множество проблем, которые затруднительно или вообще невозможно решить при использовании файловых систем. При этом существуют приложения, для которых вполне достаточно файлов, приложения, для которых необходимо решать, какой уровень работы с данными во внешней памяти для них требуется, и приложения, для которых безусловно нужны базы данных.

Современные системы управления файлами и управления базами данных представляют собой весьма совершенные инструменты, каждый из которых может быть очень успешно применен в соответствующей области деятельности. Но всегда необходимо помнить, что каждый инструмент приносит максимальную пользу именно в той области, для которой он создан.

 

ForStu / Лекции / Информатика / ВСЁ О КОМПЬЮТЕРЕ (лекция) /

Copyright © 2004-2017, ForStu

Яндекс.Метрика