Практически все файловые системы при организации работы с файлами действуют по схожим сценариям, которые в общем случае состоят из трех основных блоков действий.
Во-первых, это начало работы с файлом (или открытие файла). Большинство систем для процессов, желающих работать с файлом, предполагают наличие операции открытия файла. Посредством данной операции процесс передает файловой системе запрос на работу с конкретным файлом. Получив запрос, файловая система производит соответствующие проверки возможности (в т.ч. на наличие полномочий) работы с файлом, в случае успеха выделяет внутри себя необходимые ресурсы для работы процесса с указанным файлом. В частности, для каждого открытого файла создается т.н. файловый дескриптор, в котором отражается актуальное состояние открытого файла (режимы, позиции указателей и т.п.). Файловый дескриптор, как системная структура данных, может размещаться как в адресном пространстве процесса, так и в пространстве памяти операционной системы. Соответственно, при открытии файла процесс получает либо номер файлового дескриптора, либо указатель на начало данной структуры. Все последующие операции с содержимым файла происходят с указанием именно файлового дескриптора, и эти операции образуют следующий блок действий.
Второй блок действий образуют операции по работе с содержимым файла (чтение и запись), также операции, изменяющие атрибуты файла (режимы доступа, изменение указателей чтения/записи и т.п.).
Последний этап — это закрытие файла: уведомление системы о закрытии процессом файлового дескриптора (а не файла). Подчеркнем, что процесс прекращает работу не с файлом, а с конкретным файловым дескриптором, поскольку даже в рамках одного процесса можно открыть один и тот же файл два и более раза, и на каждое открытие будет предоставлен новый файловый дескриптор. После операции закрытия операционная система выполняет необходимые действия по корректному завершению работы с файловым дескриптором, а если закрывается последний открытый дескриптор — то корректное завершение работы с файлом: в частности, по необходимости освобождаются системные ресурсы, в т.ч. разгрузка кэш-буферов файловых обменов, и т.д.
Структурно каждая операционная система предлагает унифицированный набор интерфейсов, посредством которых можно обращаться к системным вызовам работы с файлами. Обычно этот набор содержит следующие основные функции:
- open — открытые/создание файла;
- close — закрытие;
- read / write — читать/писать (относительно указателя чтения/записи соответственно);
- delete — удалить файл из файловой системы;
- seek — позиционирование указателя чтения/записи;
- read_attributes / write_attributes — чтение/модификация некоторых атрибутов файла (в файловых системах, рассматривающих имя файла не как атрибут, возможны дополнительная функция переименования файла — rename).
Практически все файловые системы включают в свой состав некоторый специальный компонент, посредством которого можно установить соответствие между именем файла и его атрибутами. Используя это соответствие, можно получить информацию о размещении данных в файловой системе и организовать доступ к данным. И этим компонентом является каталог. Итак, каталог — это системная структура данных файловой системы, в которой находится информация об именах файлов, а также информация, обеспечивающая доступ к атрибутам и содержимому файла.
Рассмотрим типовые модели организации каталогов (в соответствии с хронологическим порядком их появления).
Первой исторической моделью является одноуровневая файловая система (система с одноуровневым каталогом). В файловой системе данного типа (Рис. 93) присутствует единственный каталог, в котором перечислены всевозможные имена файлов, находящихся в данной системе. Этот каталог устроен простым способом: о каждом файле хранится информация об его имени, расположении первого блока и размере файла. Эта простота влечет за собой и простоту доступа к информации файлов, но эта модель не предполагает многопользовательской работы. В данном случае возможны коллизии имен (когда возникают попытки создания файлов с одним именем). Данная модель в настоящее время используется в бытовой технике, которая выполняет фиксированный набор действий.
Рис. 93. Модель одноуровневой файловой системы.
Следующей моделью является двухуровневая файловая система (Рис. 94). Данная модель предполагает работу нескольких пользователей: файловая система этого типа позволяет группировать файлы по принадлежности тому или иному пользователю. Эта модель лучше одноуровневой (в частности, не возникают коллизии имен файлов разных пользователей), но и она обладает недостатками: зачастую неудобно и даже нежелательно расположение всех файлов одного пользователя в одном месте (в одном каталоге). В частности, остается проблема коллизии имен для файлов одного пользователя.
Отметим, что двух-, трех- и вообще N-уровневые (N – фиксированное) модели остаются актуальными и по сей день. Объясняется это тем, что они, в первую очередь, достаточно просты по своей структуре и организации работы с ними. Если мы посмотрим на простейший мобильный телефон, имеющий несколько уровней меню, в них обычно реализованы именно подобные файловые системы.
Рис. 94. Модель двухуровневой файловой системы.
И, наконец, последняя модель, которую мы рассмотрим, — иерархическая файловая система (Рис. 95). Современные многопользовательские файловые системы основываются на использовании иерархических структур данных, в частности, на использовании деревьев.
Вся информация в файловой системе представляется в виде дерева, имеющего корень. Это т.н. корневая файловая система. В узлах дерева, отличных от листьев, находятся каталоги, которые содержат информацию о размещенных в них файлах. Иерархические файловые системы обычно имеют специальный тип файлов-каталогов. Т.е. каталог представляется не как отдельная выделенная структура данных, а как файл особого типа. Листом дерева может быть либо файл-каталог, либо любой файл файловой системы.
Рис. 95. Модель иерархической файловой системы.
Иерархическая (или древообразная) организация файловой системы предоставляет возможность использования уникального именования файлов. Оно основывается на том, что в дереве существует единственный путь от корня до любого узла. Приведенная схема именования (от корня до конкретного узла дерева) является принципиальной схемой именования файлов в иерархических файловых системах. При этом обычно используются следующие характеристики. Текущий каталог — это каталог, на работу с которым в данный момент настроена файловая система. Текущим каталогом может стать любой каталог файловой системы, и обозревание файлов в файловой системе происходит относительно этого каталога. Файлы, находящиеся непосредственно в текущем каталоге доступны «просто» по имени. Таким образом, имя файла — это имя файла, находящего в текущем каталоге, а полное имя файла — это перечень всех имен файлов от корня до узла с данным файлом. Признаком полного имени обычно является присутствие специального префиксного символа, обозначающего корневой каталог (например, в ОС Unix в качестве корневого каталога выступает символ “/”).
Иерархическая файловая система позволяет использовать т.н. относительные имена файлов — это путь от некоторого каталога до данного файла. Для данного способа именования необходимо указать явно или неявно каталог, относительно которого строится это именование. Например, если существует файл с полным именем /A/B/C/D, то относительно каталога B файл будет иметь имя C/D. Чтобы использовать это относительное имя, необходимо либо явно задать каталог B (по сути это означает задание полного имени), либо сделать каталог B текущим.
Иерархические файловые системы обычно используют еще одну характеристику — т.н. домашний каталог. Суть его заключается в том, что для каждого зарегистрированного в системе пользователя (или для всех пользователей) задается полное имя каталога, который должен стать текущим каталогом при входе пользователя в систему.