С точки зрения структурной организации файлов имеется целый спектр различных подходов. Существует некоторая установившаяся систематизация методов структурной организации файлов. Рассмотрим модели в соответствии с хронологией их появления.
Первой моделью файла явилась модель файла как последовательности байтов. В этом случае содержимое файла представляется как неинтерпретируемая информация (или интерпретируемая примитивным образом). Задача интерпретации данных ложится на пользователя. Данная модель файла наиболее распространена на сегодняшний день: большинство широко используемых файловых систем поддерживают возможность представлять содержимое файла как последовательности байтов, а это означает, что программные интерфейсы, обеспечивающие доступ к содержимому файла, позволяют считывать и записывать произвольные порции данных.
Следующие модели представляют файл как последовательность записей переменной и постоянной длины. Первая из этих моделей является аналогом магнитной ленты. Соответственно, эта организация файла и рассчитана на работу с магнитными лентами. В этом случае возникают проблемы, такие как коррекция данных в середине файла, вследствие чего меняется размер файла, и появляется необходимость сдвигать «хвост» файла на ленте.
Модель файла как последовательности записей постоянной длины является также аппаратно-ориентированной: она является аналогом перфокарты. Перфокарта представляет собою картонный листок прямоугольной формы, на котором изображены двенадцать строк по 80 позиций в каждой. Каждая позиция соответствует одному биту информации. Соответственно, перфокарта может хранить лишь фиксированное количество данных, поэтому для отображения колоды перфокарт в файл подходит модель файла как последовательности записей фиксированного размера (каждая запись являлась образом одной перфокарты). Данная модель имеет следующие недостатки. Во-первых, из-за того, что каждая запись имеет фиксированный размер, возникает внутренняя фрагментация: т.е. если хотя бы один байт занят в записи, то занят и весь объем записи. Также остаются проблемы, возникающие при необходимости вставить или удалить запись из середины файла.
И, наконец, модель иерархической организации файла. В данной модели организация файла имеет сложную логическую структуру, позволяющую организовывать динамическую работу с данными. Одной из наиболее распространенных структур является дерево, в узлах которого расположены записи. Каждая запись состоит из двух полей: поле ключа и поле данных. В качестве ключа может выступать номер записи. Данная модель является удобной для редактирования файла, но с другой стороны требует достаточной сложной реализации.
Еще одной исторической характеристикой файлов были режимы доступа, отражавшие организацию внешних устройств. Были файлы прямого доступа и файлы последовательного доступа. Режим доступа задавался на этапе создания файла. В современных файловых системах эти режимы не используются. Зато актуальны режимы доступа с точки зрения разрешения или запрета на определенные операции: возможно иметь доступ только по чтению, только по записи или по чтению-записи информации в файл.
Атрибуты файлов
Каждый файл обладает фиксированным набором параметров, характеризующих свойства и состояния файла, причем и долговременное (стратегическое), и оперативное состояния. Совокупность этих параметров называют атрибутами файла. В набор атрибутов может входить достаточно большое количество параметров, и состав атрибутов зависит от конкретной реализации системы. Среди атрибутов часто можно встретить следующие параметры: имя файла, права доступа, персонификация (создатель/владелец), тип файла, размер записи (блока), размер файла, указатель чтения/записи, время создания, время последней модификации, время последнего обращения, предельный размер файла и т.п.
Под именем файла понимается последовательность символов, используя который организуется именованный доступ к данным файла. В одних файловых системах имя файла воспринимается в качестве атрибута, другие ФС разделяют файл (его содержимое), имя и отдельно набор атрибутов.
Следующим немаловажным атрибутом являются права доступа. Данный атрибут характеризует возможность доступа к содержимому файла различным категориям пользователей. Структура категорий пользователей, по которой организуется доступ, зависит от конкретной операционной системы. В частности, существуют операционные системы, в которых прав доступа нет: файлы доступны любому пользователю системы.
Следующий атрибут — персонификация — связан с предыдущим. Соответственно, данный атрибут содержит информацию о принадлежности файла. В общем случае здесь может находиться несколько параметров: например, информация о создателе файла, а также информация о владельце файла. Зачастую эти параметры совпадают, но возможны ситуации, когда они отличаются.
Тип файла — информация о способе организации файла и интерпретации его содержимого. Говоря о способе организации, можно привести пример файловой системы ОС Unix, которая поддерживает разные типы файлов. Среди прочих имеются т.н. файлы устройств, соответствующие тем устройствам, которые обслуживает данная ОС; и через эти файлы устройств происходит фактически обращение к драйверам устройств. Совсем иначе организованы регулярные файлы, которые могут хранить различную информацию (текстовую, графическую и пр.). О различных способах организации речь пойдет ниже.
Если речь идет об интерпретации, то она может быть явной и неявной, т.е. возможно указание, как интерпретировать содержимое файла. Например, можно указать, является ли данный файл исполняемым или неисполняемым. Исполняемый файл можно запустить как процесс, в отличие от неисполняемого. Таким образом, атрибут типа файла может содержать многоуровневую комплексную информацию.
Размер записи (или размер блока). В системе имеется возможность указать, что какой-то файл организован в виде последовательности блоков данного размера, при этом размер определяется пользователем (пользовательским процессом). Размер может быть стационарным, когда при создании файла указывается фиксированный размер блоков, и нестационарным, когда размер блока задается каждый раз при открытии файла.
Размер файла. Данный атрибут имеет достаточно простой смысл, заметим, что обычно размер файла задается в байтах.
Указатель чтения/записи — это указатель, относительно которого происходит чтение или запись информации. В общем случае с каждым файлом ассоциируются два указателя (и на чтение, и на запись), хотя бывают файловые системы, в которых используется единый указатель чтения/записи. Соответственно, операции чтения/записи оперируют данными, следующими за указателями.
Среди прочих атрибутов файла возможны атрибуты, отражающие системную и статистическую информацию о файле: например, время последней модификации, время последнего обращения, предельный размер файла и т.д. Еще одной важной группой атрибутов являются атрибуты, хранящие информацию о размещении содержимого файла, т.е. где в файловой системе организовано хранение данных файла, и как оно организовано.