В качестве отображающей функции может использоваться простое выделение нескольких разрядов из адреса оперативной памяти, которые интерпретируются как номер строки кэшпамяти (такое отображение называется прямым). Например, пусть в кэшпамяти может храниться 1024 записи, то есть кэш имеет 1024 строки, пронумерованные от 0 до 1023. Тогда любой адрес оперативной памяти может быть отображен на адрес кэшпамяти простым отделением 10 двоичных разрядов.

В действительности запись в кэше обычно содержит несколько элементов данных.

При поиске данных в кэше используется быстрый прямой доступ к записи по номеру строки, полученному путем обработки адреса оперативной памяти из запроса. Однако поскольку в найденной строке могут находиться данные из любой ячейки оперативной памяти, младшие разряды адреса которой совпадают с номером строки, необходимо выполнить дополнительную проверку. Для этих целей каждая строка кэшпамяти дополняется тегом, содержащим старшую часть адреса данных в оперативной памяти. При совпадении тега с соответствующей частью адреса из запроса констатируется кэшпопадание.

Если же произошел кэшпромах, то данные считываются из оперативной памяти и копируются в кэш. Если строка кэшпамяти, в которую должен быть скопирован элемент данных из оперативной памяти, содержит другие данные, то последние вытесняются из кэша. Заметим, что процесс замещения данных в кэшпамяти на основе прямого отображения существенно отличается от процесса замещения данных в кэшпамяти со случайным отображением. Во-первых, вытеснение данных происходит не только в случае отсутствия свободного места в кэше, во-вторых, никакого выбора данных на замещение не существует.

Во многих современных процессорах кэшпамять строится на основе сочетания этих двух подходов, что позволяет найти компромисс между сравнительно низкой стоимостью кэша с прямым отображением и интеллектуальностью алгоритмов замещения в кэше со случайным отображением. При смешанном подходе произвольный адрес оперативной памяти отображается не на один адрес кэшпамяти (как это характерно для прямого отображения) и не на любой адрес кэшпамяти (как это делается при случайном отображении), а на некоторую группу адресов. Все группы пронумерованы. Поиск в кэше осуществляется вначале по номеру группы, полученному из адреса оперативной памяти из запроса, а затем в пределах группы путем ассоциативного просмотра всех записей в группе на предмет совпадения старших частей адресов оперативной памяти.

При промахе данные копируются по любому свободному адресу из однозначно заданной группы. Если свободных адресов в группе нет, то выполняется вытеснение данных. Поскольку кандидатов на выгрузку несколько -- все записи из данной группы -- алгоритм замещения может учесть интенсивность обращений к данным и тем самым повысить вероятность попаданий в будущем. Таким образом в данном способе комбинируется прямое отображение на группу и случайное отображение в пределах группы.

В соответствии с описанной логикой работы кэшпамяти следует, что при возникновении запроса сначала просматривается кэш, а затем, если произошел промах, выполняется обращение к основной памяти. Однако часто реализуется и другая схема работы кэша: поиск в кэше и в основной памяти начинается одновременно, а затем, в зависимости от результата просмотра кэша, операция в основной памяти либо продолжается, либо прерывается.

При выполнении запросов к оперативной памяти до многих вычислительных системах используется двухуровневое кэширование. Кэш первого уровня имеет меньший объем и более высокое быстродействие, чем кэш второго уровня. Кэш второго уровня играет роль основной памяти по отношению к кэшу первого уровня.

На рис. показана схема выполнения запроса на чтение в системе с двухуровневым кэшем. Сначала делается попытка обнаружить данные в кэше первого уровня. Если произошел промах, поиск продолжается в кэше второго уровня. Если же нужные данные отсутствуют и здесь, тогда происходит считывание данных из основной памяти. Понятно, что время доступа к данным оказывается минимальным, когда кэшпопадание происходит уже на первом уровне, несколько большим -- при обнаружении данных на втором уровне и обычным временем доступа к оперативной памяти, если нужных данных нет ни в том, ни в другом кэше. При считывании данных из оперативной памяти происходит их копирование в кэш второго уровня, а если данные считываются из кэша второго уровня, то они копируются в кэш первого уровня.

Вопросы для самопроверки

109. На какие классы принято разделять алгоритмы распределения памяти?

110. Какие подходы используются для виртуализации памяти в современных ОС?

111. Как называют область жесткого диска, которая отводится ОС для временного хранения страниц или сегментов виртуальной памяти?

112. Возможна ли организация разделяемой памяти при страничном распределении ОП?

Контрольные вопросы

113. Возможна ли ситуация, когда при динамическом способе распределения памяти ОС не принимает процесс на выполнение?

114. Что такое фрагментация ОП?

115. В чем суть процедуры сжатия ОП?

116. Укажите основной недостаток свопинга.

117. Укажите классы структуризации виртуальной памяти.

118. Чем отличается страничное распределение памяти от свопинга?

119. Какая информация содержится в дескрипторе страницы?

120. В какой информационной структуре хранятся адреса таблицы страниц?

121. Какой критерий используется ОС для определения выгружае-мой из ОП страницы?

122. Почему в современных ОС предпочтительно сегментное распределение памяти, а не страничное?

123. Какая характеристика ПК определяет максимально возможный размер виртуального адресного пространства?

124. Если несколько процессов использует один и тот же сегмент па-мяти (общий), то как поступает ОС в этом случае?

125. Укажите основные недостатки сегментного распределения ОП.

126. В чем отличие сегментного распределения ОП от страничного?

127. Для каких целей ОС использует разделяемые сегменты памяти?

5. Ввод-вывод и файловая система

Одной из главных задач операционной системы является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современной ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистема ввода-вывода. Клиентами этой подсистемы являются не только пользователи и приложения, но и некоторые компоненты самой ОС, которым требуется получение системных данных или их вывод, например, подсистеме управления процессами при смене активного процесса необходимо записать на диск контекст приостанавливаемого процесса и считать с диска контекст активизируемого процесса.

Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система. Файловая система как основное хранилище всей информации вычислительной системы рассматривается совместно с другими компонентами подсистемы ввода-вывода по двум причинам. Во-первых, файловая система активно использует остальные части подсистемы ввода-вывода, а во-вторых, модель файла лежит в основе большинства механизмов доступа к устройствам, используемых в современной подсистеме ввода-вывода.

5.1 Задачи ОС по управлению файлами и устройствами

Подсистема ввода-вывода (InputOutput Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:

организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;

согласование скоростей обмена и кэширование данных;

разделение устройств и данных между процессами;

обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;

поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;

динамическая загрузка и выгрузка драйверов;

поддержка нескольких файловых систем;

поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Рассмотрим перечисленные задачи более подробно.

Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора. Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы диск, принтер, терминал и т. п. снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать (например, вывести в виде текста в определенную область терминала или записать в определенный сектор диска). Под управлением контроллера устройство может некоторое время выполнять свои операции автономно, не требуя внимания со стороны центрального процессора.

Процессы, происходящие в контроллерах, протекают в периоды между выдачами команд независимо от ОС. От подсистемы ввода-вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большого количества разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера. При этом необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода, оставив как можно больше процессорного времени на выполнение пользовательских потоков.

Согласование скоростей обмена и кэширование данных. При обмене данными всегда возникает задача согласования скорости. Например, если один пользовательский процесс вырабатывает некоторые данные и передает их другому пользовательскому процессу через оперативную память, то в общем случае скорости генерации данных и их чтения не совпадают. Согласование скорости обычно достигается за счет буферизации данных в оперативной памяти и синхронизации доступа процессов к буферу.

В подсистеме ввода-вывода для согласования скоростей обмена также широко используется буферизация данных в оперативной памяти. В тех специализированных операционных системах, в которых обеспечение высокой скорости ввода-вывода является первоочередной задачей (управление в реальном времени, услуги сетевой файловой службы и т. п.), большая часть оперативной памяти отводится не под коды прикладных программ, а под буферизацию данных. Однако буферизация только на основе оперативной памяти в подсистеме ввода-вывода оказывается недостаточной. Разница между скоростью обмена с оперативной памятью, куда процессы помещают данные для обработки, и скоростью работы внешнего устройства часто становится слишком значительной, чтобы в качестве временного буфера можно было бы использовать оперативную память ее объема может просто не хватить. Для таких случаев необходимо предусмотреть особые меры, и часто в качестве буфера используется дисковый файл, называемый также спул-файлом (от spool шпулька, тоже буфер, только для ниток). Типичный пример применения спулинга дает организация вывода данных на принтер.

Другим решением этой проблемы является использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Такой подход особенно полезен в тех случаях, когда помещение данных на диск слишком замедляет обмен (или когда данные выводятся на сам диск). Например, в контроллерах графических дисплеев применяется буферная память, соизмеримая по объему с оперативной, и это существенно ускоряет вывод графики на экран.

Буферизация данных позволяет не только согласовать скорости работы процессора и внешнего устройства, но и решить другую задачу - сократить количество реальных операций ввода-вывода за счет кэширования данных. Дисковый кэш является непременным атрибутом подсистем ввода-вывода практически всех операционных систем, значительно сокращая время доступа к хранимым данным.

Поддержка широкого спектра драйверов и простота включения нового драйвера в систему. Достоинством подсистемы ввода-вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств. Прекрасно спланированная и реализованная операционная система может потерпеть неудачу на рынке только из-за того, что в ее состав не включен достаточный набор драйверов. В этом случае администраторы и пользователи вынуждены искать нужный им драйвер для имеющегося у них внешнего устройства у производителей оборудования или, что еще хуже, заниматься его разработкой самостоятельно.

Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью и т. д.), а с другой стороны с контроллерами внешних устройств. Поэтому существуют два типа интерфейсов: интерфейс «драйвер-ядро» (Driver Kernel Interface, DKI) и интерфейс «драйвер-устройство» (Driver Device Interface, DDI). Интерфейс «драйвер-ядро» должен быть стандартизован в любом случае. Интерфейс «драйвер-устройство» имеет смысл стандартизировать тогда, когда подсистема ввода-вывода не разрешает драйверу непосредственно взаимодействовать с аппаратурой контроллера и выполняет эти операции самостоятельно. Экранирование драйвера от аппаратуры является весьма полезной функцией, так как драйвер в этом случае становится независимым от аппаратной платформы. Подсистема ввода-вывода может поддерживать несколько различных типов интерфейсов DKI/DDI, предоставляя специфический интерфейс для устройств определенного класса.

Для поддержки процесса разработки драйверов операционной системы обычно выпускается так называемый пакет DDK (Driver Development Kit), представляющий собой набор соответствующих инструментальных средств библиотек, компиляторов и отладчиков.

Динамическая загрузка и выгрузка драйверов. Кроме проблемы разработки новых драйверов существует также проблема включения драйвера в состав модулей работающей ОС, то есть динамической загрузки-выгрузки драйвера. Так как набор потенциально поддерживаемых данной ОС периферийных устройств всегда существенно шире набора устройств, которыми ОС должна управлять при установке на конкретной машине, то ценным свойством ОС является возможность динамически загружать в оперативную память требуемый драйвер (без останова ОС) и выгружать его после того, как потребность в поддержке устройства миновала, что может существенно сэкономить системную область памяти.

Альтернативой динамической загрузке драйверов при изменении текущей конфигурации внешних устройств компьютера является повторная компиляция кода ядра с требуемым набором драйверов, что создает между всеми компонентами ядра статические связи вместо динамических. Например, таким образом решалась данная проблема в ранних версиях операционной системы UNIX. При статических связях между ядром и драйверами структура ОС упрощается, но этот подход требует наличия исходных кодов модулей операционной системы, доступность которых скорее является исключением (для некоммерческих версий UNIX), а не правилом. Кроме того, в этом варианте работающую предыдущую версию операционной системы необходимо остановить и заменить новой, а перерывы в работе ОС в некоторых применениях могут и не допускаться. Поддержка динамической загрузки драйверов является практически обязательным требованием для современных универсальных операционных систем.

Поддержка нескольких файловых систем. Диски представляют особый род периферийных устройств, так как именно на них хранится большая часть как пользовательских, так и системных данных. Данные на дисках организуются в файловые системы, и свойства файловой системы во многом определяют свойства самой ОС ее отказоустойчивость, быстродействие, максимальный объем хранимых данных. Популярность файловой системы часто приводит к ее миграции из «родной» ОС в другие операционные системы. Например, файловая система FAT появилась первоначально в MSDOS, но затем была реализована в OS/2, семействе MS Windows и многих реализациях UNIX. Ввиду этого поддержка нескольких популярных файловых систем для подсистемы ввода-вывода также важна, как и поддержка широкого спектра периферийных устройств. Важно также, чтобы архитектура подсистемы ввода-вывода позволяла достаточно просто включать в ее состав новые типы файловых систем, без необходимости переписывания кода. Обычно в операционной системе имеется специальный слой программного обеспечения, отвечающий за решение данной задачи, например слой VFS ( Virtual File System) в версиях UNIX на основе кода System V Release 4.

5.2 Специальные файлы

В унификацию драйверов большой вклад внесла операционная система UNIX. В этой системе все драйверы были разделены на два больших класса: блок-ориентированные (blockoriented) драйверы и байт-ориентированные (characteroriented) драйверы. Например, драйверы графических устройств и драйверы сетевых устройств относятся к классу байт-ориентированных. Блок-ориентированные драйверы управляют устройствами прямого доступа, которые хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет собственный адрес. Самое распространенное внешнее устройство прямого доступа диск. Адресуемость блоков приводит к тому, что для устройств прямого доступа появляется возможность кэширования данных в оперативной памяти, и это обстоятельство значительно влияет на общую организацию ввода-вывода для блок-ориентированных драйверов.

Устройства, с которыми работают байт-ориентированные драйверы, не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска данных, они генерируют или потребляют последовательности байт. Примерами таких устройств, которые также называют устройствами последовательного доступа, служат терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры.

Блок или байт-ориентированность является характеристикой как самого устройства, так и драйвера. Очевидно, что если устройство не поддерживает обмен адресуемыми блоками данных, а позволяет записывать или считывать последовательность байт, то и устройство, и его драйвер можно назвать байт-ориентированными. Для байт-ориентированного устройства невозможно разработать блок-ориентированный драйвер.

Устройство прямого доступа с блочной адресацией является блок-ориентированным, и для управления им естественно использовать блок-ориентированный драйвер. Однако блок-ориентированным устройством можно управлять и с помощью байт-ориентированного драйвера. Так, диск можно рассматривать не только как набор блоков, но и как набор байт, первый из которых начинает первый блок диска, а последний завершает последний блок. Физический обмен с контроллером устройства по-прежнему осуществляется блоками, но байт-ориентированный драйвер устройства будет преобразовывать блоки в последовательность байт. Для устройств прямого доступа часто разрабатывают пару драйверов, чтобы к устройству можно было обращаться и по байт-ориентированному, и по блок-ориентированному интерфейсам в зависимости от потребностей.

Операционная система UNIX в свое время сделала еще один важный шаг по унификации операций и структуризации программного обеспечения ввода-вывода. В ОС UNIX все устройства рассматриваются как некоторые виртуальные (специальные) файлы, что дает возможность использовать общий набор базовых операций ввода-вывода для любых устройств независимо от их специфики. Специальный файл всегда связан с некоторым устройством ввода-вывода и представляет его для остальной части операционной системы и прикладных процессов в виде неструктурированного набора байт. Интерфейс взаимодействия со специальным файлом организован так же, как и с обычным. Его можно открывать, считывать из него определенное количество байт или же записывать в него определенное количество байт, а после завершения операции закрывать. Очевидно, что представление устройства в виде файла и использование для управления устройством файловых системных вызовов во многих случаях не позволяет выполнять только достаточно простые операции. Традиционно специальные файлы помещаются в каталог /dev, хотя ничто не мешает создать их в любом каталоге файловой системы.

5.3 Логическая организация файловой системы

Одной из основных задач операционной системы является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью. Логическая модель файловой системы материализуется в виде дерева каталогов, выводимого на экран такими утилитами, как Norton Commander или Windows Explorer, в символьных составных именах файлов, в командах работы с файлами. Базовым элементом этой модели является файл, который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой.

5.3.1 Цели и задачи файловой системы

Файл это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках.

Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, включающая:

совокупность всех файлов на диске;

наборы структур данных, используемых для управления файлами. Например, каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие, как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов. Файловая система позволяет программам обходиться набором достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл.

Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС, к числу которых относится, например, MSDOS.

Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;

предоставление программного интерфейса для приложений;

отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

Задачи ФС усложняются в операционных однопользовательских мультипрограммных ОС, которые хотя и предназначены для работы одного пользователя, но дают ему возможность запускать одновременно
несколько процессов. К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит, файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности, в ФС должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, согласование копий и т. п. В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя. Еще более сложными становятся функции ФС, которая работает в составе сетевой ОС.

5.3.2 Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры и отображаемые в память файлы.

Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает.

Каталоги это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.

Специальные файлы это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции вводавывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.

5.3.3 Иерархическая структура файловой системы

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня.

Граф, описывающий иерархию 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. Например, в MSDOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом или корнем (root).

Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог.

5.3.4 Имена файлов

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен файлов: простые, составные и относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивалась схемой 8.3 (8 символов собственно имя, 3 символа расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема «много файлов - одно простое имя». Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл - одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Текущий каталог принято обозначать символами ./, а файл, находящийся в этом каталоге, например, main.exe как ./main.exe. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /usr, то относительное имя файла /usr/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же, как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл много полных имен», так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

5.3.5 Монтирование

В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств. Даже типичный персональный компьютер обычно имеет один накопитель на жестком диске, один накопитель на гибких дисках и накопитель для компакт-дисков. Мощные же компьютеры, как правило, оснащены большим количеством дисковых накопителей, на которые устанавливаются пакеты дисков. Более того, даже одно физическое устройство с помощью средств операционной системы может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности путем разбиения дискового пространства на разделы. Возникает вопрос: каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти?

Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается автономная файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются деревом каталогов, никак не связанным с деревьями каталогов на других устройствах. В таком случае для однозначной идентификации файла пользователь наряду с составным символьным именем файла должен указывать идентификатор логического устройства. Примером такого автономного существования файловых систем является операционная система MSDOS, в которой полное имя файла включает буквенный идентификатор логического диска. Так, при обращении к файлу, расположенному на диске А, пользователь должен указать имя этого диска: A:\privat\letter\uni\let1.doc.

Другим вариантом является такая организация хранения файлов, при которой пользователю предоставляется возможность объединять файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием. Рассмотрим, как осуществляется эта операция на примере ОС UNIX.

Среди всех имеющихся в системе логических дисковых устройств операционная система выделяет одно устройство, называемое системным.

Пусть имеются две файловые системы, расположенные на разных логических дисках, причем один из дисков, на котором расположена файловая система 1, является системным.

Файловая система, расположенная на системном диске, назначается корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некоторый существующий каталог, в данном примере каталог man. После выполнения монтирования выбранный каталог man становится корневым каталогом второй файловой системы. Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву.

После монтирования общей файловой системы для пользователя нет логической разницы между корневой и смонтированной файловыми системами. В частности, именование файлов производится так же, как если бы она с самого начала была единой.

5.3.6 Атрибуты файлов

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты это информация, описывающая свойства файла.

Примеры возможных атрибутов файла:

тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

владелец файла;

создатель файла;

пароль для доступа к файлу;

информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

текущий размер файла;

максимальный размер файла;

признак «только для чтения»;

признак «скрытый файл»;

признак «системный файл»;

признак «архивный файл»;

признак «двоичный/символьный»;

признак «временный» (удалить после завершения процесса).

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие, как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MSDOS. На рисунке представлена структура 32байтной записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены бинарные признаки файла: R только для чтения, А - архивный, Н скрытый, S системный, M - метка тома, D - каталог.

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла. В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.

5.3.7 Логическая организация файла

В общем случае данные, содержащиеся в файле, имеют некую логическую структуру. Эта структура является базой при разработке программы, предназначенной для обработки этих данных. Признаками, отделяющими один структурный элемент от другого, могут служить определенные кодовые последовательности или просто известные программе значения смещений этих структурных элементов относительно начала файла. Поддержание структуры данных может быть либо целиком возложено на приложение, либо в той или иной степени эту работу может взять на себя файловая система.

В первом случае, когда все действия, связанные со структуризацией и интерпретацией содержимого файла целиком относятся к ведению приложения, файл представляется ФС неструктурированной последовательностью байтов. Приложение формулирует запросы к файловой системе на вводвывод, используя общие для всех приложений системные средства, например, указывая смещение от начала файла и количество байт, которые необходимо считать или записать. Поступивший к приложению поток байт интерпретируется в соответствии с заложенной в программе логикой. Модель файла, в соответствии с которой содержимое файла представляется неструктурированной последовательностью (потоком) байт, стала популярной вместе с ОС UNIX, а теперь она широко используется в большинстве современных ОС, в том числе в MSDOS, Windows NT/2000/XP, NetWare. Неструктурированная модель файла позволяет легко организовать разделение файла между несколькими приложениями: разные приложения могут по-своему структурировать и интерпретировать данные, содержащиеся в файле.

Вопросы для самопроверки

128. Какие классы драйверов ОС UNIX Вам известны?

129. Можно ли работать со специальным файлом как с обычным?

130. В чем суть логической модели представления данных?

131. Какие три типа файлов используется в ОС UNIX?

132. Какой тип соответствия устанавливается между файлом и его полным именем в древовидной структуре каталогов?

133. Что понимают под физической организацией файловой систе-мы?

134. Сколько файловых систем можно создать на одном логическом устройстве?

Контрольные вопросы

135. Назовите устройство, драйвер которого нельзя отнести ни к классу байт-ориентированных и ни к классу блок-ориентированных драйверов.

136. Для каких целей ОС UNIX использует специальные файлы?

137. В каком виде в современных ОС представлена логическая структура данных?

138. Что такое файл?

139. Дайте определение файловой системы.

140. В чем суть иерархической структуры файловой системы?

141. Может ли структура каталогов представлять из себя сеть?

142. Укажите три основных типа имен файлов.

143. Для каких целей служит простое имя файла?

144. Какие ограничения на длину файла Вам известны?

145. Для каких целей в ОС UNIX служит операция монтирования?

146. Что такое атрибут файла?

147. Что представляет собой файл в современных ОС?

148. В каких единицах дискового пространства ОС выделяет место под файлы?

149. Что понимают под разделом (partition) жесткого диска?

150. Обязательно ли одно логическое устройство размещается на од-ном жестком диске?

5.4 Физическая организация файловой системы

Представление пользователя о файловой системе как об иерархически организованном множестве информационных объектов имеет мало общего с порядком хранения файлов на диске. Файл, имеющий образ цельного, непрерывающегося набора байт, на самом деле очень часто разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла, например, его отдельная логическая запись может быть расположена в несмежных секторах диска. Логически объединенные файлы из одного каталога совсем не обязаны соседствовать на диске. Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической организацией файловой системы. Очевидно, что разные файловые системы имеют разную физическую организацию.

5.4.1 Диски, разделы, секторы, кластеры

Основным типом устройства, которое используется в современных вычислительных системах для хранения файлов, являются дисковые накопители. Эти устройства предназначены для считывания и записи данных на жесткие и гибкие магнитные диски.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Таким образом, диск в общем случае состоит из пакета пластин.

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку.

Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемещаются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. Обычно все головки закреплены на едином перемещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фиксируется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останавливаются над дорожками с такими же номерами. Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors) или блоками (blocks), так что все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, выражающийся степенью двойки. Чаще всего размер сектора составляет 512 байт. Поскольку дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плотность записи становится тем выше, чем ближе дорожка к центру.

Сектор наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. Так как прикладной программе в общем случае нужен не сектор, а некоторое количество байт, не обязательно кратное размеру сектора, то типичный запрос включает чтение нескольких секторов, содержащих требуемую информацию, и одного или двух секторов, содержащих наряду с требуемыми избыточные данные.

Операционная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера. Иногда кластер называют блоком (например, в ОС Unix), что может привести к терминологической путанице. Вообще, терминология, используемая при описании форматов дисков и файловых систем, зависит от аппаратной платформы операционной системы.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического (низкоуровневого) форматирования диска, предшествующей использованию диска. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого (логического) форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе информация о доступном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под файлы и каталоги, информация о поврежденных областях. Кроме того, на диск записывается загрузчик операционной системы небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.

Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство (используются также названия логический диск и логический раздел). Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск. Именно с логическими устройствами работает пользователь, обращаясь к ним по символьным именам, используя, например, обозначения А, В, С, SYS и т. п. Операционные системы разного типа используют единое для всех них представление о разделах, но создают на его основе логические устройства, специфические для каждого типа ОС. Так же, как файловая система, с которой работает одна ОС, в общем случае не может интерпретироваться ОС другого типа, логические устройства не могут быть использованы операционными системами разного типа. На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система.

В частном случае, когда все дисковое пространство охватывается одним разделом, логическое устройство представляет физическое устройство в целом. Если диск разбит на несколько разделов, то для каждого из этих разделов может быть создано отдельное логическое устройство. Логическое устройство может быть создано и на базе нескольких разделов, причем эти разделы не обязательно должны принадлежать одному физическому устройству. Объединение нескольких разделов в единое логическое устройство может выполняться разными способами и преследовать разные цели, основные из которых: увеличение общего объема логического раздела, повышение производительности и отказоустойчивости. Примерами организации совместной работы нескольких дисковых разделов являются тома в ОС Novell NetWare или так называемые RAIDмассивы.

На разных логических устройствах одного и того же физического диска могут располагаться файловые системы разного типа. Все разделы одного диска имеют одинаковый размер блока, определенный для данного диска в результате низкоуровневого форматирования. Однако в результате высокоуровневого форматирования в разных разделах одного и того же диска, представленных разными логическими устройствами, могут быть установлены файловые системы, в которых определены кластеры отличающихся размеров.

Операционная система может поддерживать разные статусы разделов, особым образом отмечая разделы, которые могут быть использованы для загрузки модулей операционной системы, и разделы, в которых можно устанавливать только приложения и хранить файлы данных. Один из разделов диска помечается как загружаемый (или активный). Именно из этого раздела считывается загрузчик операционной системы.

5.4.2 Физическая организация и адресация файла

Важным компонентом физической организации файловой системы является физическая организация файла, то есть способ размещения файла на диске.

Основными критериями эффективности физической организации файлов являются:

скорость доступа к данным;

объем адресной информации файла;

степень фрагментированности дискового пространства;

максимально возможный размер файла.

Наиболее простой способ физической организации - размещение файла в виде связанного списка кластеров дисковой памяти. При таком способе в начале каждого кластера содержится указатель на следующий кластер. В этом случае адресная информация минимальна: расположение файла может быть задано одним числом номером первого кластера. Каждый кластер может быть присоединен к цепочке кластеров какого-либо файла. Фрагментация на уровне кластеров отсутствует. Файл может изменять свой размер во время своего существования, наращивая число кластеров. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла чтобы прочитать пятый по порядку кластер файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых кластера, прослеживая цепочку номеров кластеров. Кроме того, при этом способе количество данных файла, содержащихся в одном кластере, не равно степени двойки (одно слово израсходовано на номер следующего кластера), а многие программы читают данные кластерами, размер которых равен степени двойки.

Популярным способом, применяемым, например, в файловой системе FAT, является использование связанного списка индексов. Этот способ является некоторой модификацией предыдущего. Файлу также выделяется память в виде связанного списка кластеров. Номер первого кластера запоминается в записи каталога, где хранятся характеристики этого файла. Остальная адресная информация отделена от кластеров файла. С каждым кластером диска связывается некоторый элемент индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска в MSDOS это таблица FAT (File Allocation Table), занимающая один кластер. Когда память свободна, все индексы имеют нулевое значение. Если некоторый кластер N назначен некоторому файлу, то индекс этого кластера становится равным либо номеру М следующего кластера данного файла, либо принимает специальное значение, являющееся признаком того, что этот кластер является для файла последним. Индекс же предыдущего кластера файла принимает значение N, указывая на вновь назначенный кластер.

При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа: минимальность адресной информации, отсутствие фрагментации, отсутствие проблем при изменении размера. Кроме того, данный способ обладает дополнительными преимуществами. Во-первых, для доступа к произвольному кластеру файла не требуется последовательно считывать его кластеры, достаточно прочитать только секторы диска, содержащие таблицу индексов, отсчитать нужное количество кластеров файла по цепочке и определить номер нужного кластера. Во-вторых, данные файла заполняют кластер целиком, а значит, имеют объем, равный степени двойки.

Еще один способ задания физического расположения файла заключается в простом перечислении номеров кластеров, занимаемых этим файлом. Этот перечень и служит адресом файла. Недостаток данного способа очевиден: длина адреса зависит от размера файла и для большого файла может составить значительную величину. Достоинством же является высокая скорость доступа к произвольному кластеру файла, так как здесь применяется прямая адресация, которая исключает просмотр цепочки указателей при поиске адреса произвольного кластера файла. Фрагментация на уровне кластеров в этом способе также отсутствует.

...