Операционные системы. Управление ресурсами
Логическая файловая система. Каталоги
Логическая ФС рассматривает файл, как единицу хранения. Удачным нам представляется сравнение логической ФС с библиотекарем, который не должен знать содержание книги (файла), но обязан уметь быстро найти требуемую книгу в книгохранилище. Как бы продолжая это сравнение, файловые справочники ОС носят названия каталогов (catalog) или оглавлений (directory).
Файловые справочники - и это естественно - располагаются на тех же носителях, что и файлы данных. Первоначально с каждой единицей сменного носителя (пакет магнитных дисков, бобина магнитной ленты) жестко связывался свой единственный справочник и смена носителя вызывала смену справочника. Такая единица сменного носителя получила название тома (volume). Дальнейшее развитие вычислительных систем привело, с одной стороны, к увеличению объемов несменяемых носителей, так что несколько их единиц могут составлять один том, с другой, - к практике разбиения одного физического носителя на несколько логических томов. Таким образом, мы определяем том, как часть внешней памяти вычислительной системы, имеющую собственный справочник. Ниже мы рассмотрим вначале логическую структуру хранения файлов на отдельном томе, а затем - интеграцию томов.
Элемент каталога содержит, как минимум, символьное имя файла и адрес его дескриптора, иногда дескриптор файла может непосредственно входить в элемент каталога.
Прежде, чем переходить к структурам каталогов, остановимся на именовании файлов. Каждый файл имеет символьное имя, которое позволяет пользователю обращаться к данному конкретному файлу. Каждая ОС устанавливает собственные соглашения о формировании имен. Как правило, эти соглашения допускают или даже требуют разделения имени файла на составные части - компоненты. При записи символьного имени его компоненты обычно разделяются точкой. Разные ОС накладывают разные ограничения на количество и длины компонент имени - от двухкомпонентных имен с компонентами ограниченной длины до неограниченного их числа и практически неограниченной длины.
Некоторые ОС резервируют одну из составляющих имени файла в качестве описателя типа информации, хранящейся в файле. Даже если ОС не предъявляет дополнительных требований к именованию, пользователи применяют составные имена файлов, как средство структурирования хранения своей информации. Для ОС, работающих с многокомпонентными именами, распространенной является практика применения "символа-джокера", обычно - "*" или "&". Употребление джокера вместо одной из компонент имени обеспечивает выполнение системных вызовов, адресованных логической ФС, как групповых операций - над всеми файлами с любыми значениями этой составляющей имени.
Каталоги файлов выполняют две функции: обеспечивают поиск файлов и структурирование хранения информации.
Простейшей структурой каталога является плоский (flat) каталог. Информация обо всех файлах сведена в одну таблицу, и поиск файла сводится к поиску в этой таблице - линейному или двоичному, если таблица упорядочена. Такая структура каталога не допускает, чтобы файлы имели одинаковые имена. Плоская структура не выполняет второй функции каталога - структурирования хранения и может быть эффективной только для ОС, работающих с томами носителей небольшого объема, когда том содержит файлы, принадлежащие одному пользователю. Если том содержит файлы, принадлежащие разным пользователям, то возможны конфликты имен - назначение разными пользователями одинаковых имен для своих файлов. Даже если такие конфликты предотвращаются (за счет многокомпонентных имен), то остается существенный недостаток: каталог открыт для чтения всем пользователям, а в некоторых случаях даже список имен файлов пользователя может быть его конфиденциальной информацией.
Простейшим решением разделения файлов между пользователями (или по другим признакам) является двухуровневая структура каталога. В этой структуре каждый пользователь имеет собственный каталог. Каталог именуется по правилам именования файлов, его имя также может быть составным.
В такой структуре возникают понятия полного и локального имен файла. Полное имя файла состоит из имени каталога и имени файла в каталоге. Обычно эти имена разделяются наклонной чертой "\" или "/". Вторая часть полного имени является локальным именем файла. На томе не может быть двух файлов, имеющих одинаковые полные имена, но файлы с одинаковыми локальными именами могут находиться в разных каталогах. Для сокращения именования файлов процесс может сообщить ОС устанавливаемое по умолчанию имя каталога. Каталог, имя которого устанавливается по умолчанию называется рабочим или текущим. К файлам в текущем каталоге процесс может обращаться по локальным именам, к файлам в других каталогах - только по полным именам.
Нетрудно распространить двух- или трехуровневую структуру каталога на произвольное число уровней - каталог приобретает древовидную или иерархическую структуру. Пример такой структуры показан на Рисунке 7.2. Иерархическая структура каталогов практически исключает возможность конфликта имен. Полное имя файла складывается из перечисления через "/" всего пути (path) от корневого каталога, имеющего имя "/", до данного файла, например:
/system/utility/disks/anti/test1
 Рис.7.2. Пример иерархической структуры каталогов |
Обычно в каждый узел древовидной структуры включается запись о каталоге, являющемся по отношению к данному родительским. В такой записи имя каталога-родителя обозначается каким-либо специальным символом или комбинацией символов, например: "..". Это позволяет обращаться к файлам в другом каталоге, задавая путь с отправной точкой либо из корневого каталога, либо из текущего (рабочего). Так, если рабочим является каталог /users/ivanov (рис.7.2), то возможно обращение:
../../petrov/pgm3.c
В каталог также включается запись о нем самом, обычно обозначаемая, как ".".
Если рабочим является каталог /system/utility (рис.7.2), то возможно обращение:
./disks/anti/test.1
Древовидный каталог является элегантной и в большинстве случаев удобной структурой, но в некоторых случаях может быть полезно внести в идеальную древовидную структуру некоторые нарушения. Но прежде, чем обсуждать такие нарушения, рассмотрим вопрос о составе элемента каталога.
Каждый элемент каталога описывает файл или подкаталог (subdirectory). С точки зрения ниже лежащих уровней ФС подкаталог является таким же файлом, как и файлы пользователей. Выше мы уже говорили о том, что элемент каталога содержит символьное имя файла или подкаталога и указатель на файловый дескриптор. Вся остальная информация о файле содержится в дескрипторе файла. В некоторых системах сам файловый дескриптор также входит в состав элемента каталога. Но хранение дескриптора файла отдельно от каталога логически вытекает из иерархической структуры ФС, поскольку поиск файла (работа с каталогами) и обработка файла (работа с дескриптором) выполняются разными уровнями ФС. Дескрипторы файлов могут храниться вместе с данными файлов или в специально отведенной области. Раздельное хранение каталогов и дескрипторов обеспечивает ряд дополнительных возможностей в логической ФС, первая из которых - алиасы.
Алиасами (alias) или жесткими связями (hard link), или просто связями (link) называются элементы каталогов, указывающие на один и тот же файловый дескриптор. Алиасы могут находиться в одном том же подкаталоге, в этом случае альтернативные имена обязательно должны быть разными, или в разных подкаталогах, тогда имена могут быть одинаковыми. Два разных элемента каталога, таким образом, указывают на один и тот же физический файл. Если при обращении к файлу по одному из альтернативных имен в данных файла были сделаны изменения, то при чтении файла по другому имени эти изменения будут найдены в файле. Как правило, алиасы создаются для того, чтобы включить в рабочий каталог пользователя файлы, находящиеся в других каталогах, но часто используемые данным пользователем.
Например, если обычным рабочим каталогом для нас является /user/petrov, но нам часто приходится обращаться к файлу /system/tools/c, то удобно создать для этого файла альтернативный элемент каталога /user/petrov/c, это позволит нам в дальнейшем обращаться к этому файлу из нашего рабочего каталога по локальному имени. Алиас для рассмотренного примера показан на Рисунке 7.3.а. Отметим, что если для файла создан алиас, то оба альтернативных имен файла - старое и новое - являются равноправными. Нельзя говорить, что файл принадлежит к тому каталогу, в котором он был создан, и только присоединен к другому каталогу - файл в равной степени принадлежит обоим каталогам. При удалении файла по одному из альтернативных имен удаляется только соответствующий элемент в каталоге, физический же файл (и его дескриптор) продолжает существовать, он будет уничтожен, когда будет удалена последняя ссылка на него.
 а). алиас  б). косвенный файл Рис.7.3. Альтернативное имя для файла |
Поэтому удаление физического файла возможно только по основному имени, удаления же по косвенным именам удаляют только элементы каталогов. Если файл удален по основному имени, то косвенные ссылки на него, как правило, остаются в каталогах и обращения по косвенным именам приведут к ошибкам. Задача чистки каталогов от неактуальных косвенных имен может возлагаться либо на пользователей - владельцев каталогов, либо на администратора системы, в распоряжении которого должны быть соответствующие утилиты.
Раздельное хранение каталогов и дескрипторов предоставляет, как мы показали, дополнительные возможности, но и создает почву для возникновения дополнительных ошибок - "беспризорных" файлов, то есть файлов, на которые нет ссылок ни в каком каталоге. В распоряжении системного администратора должны быть утилиты, позволяющие исправлять такие ошибки (как, например, fsck и fsdb в Unix).
Внешняя память вычислительной системы может состоять из нескольких томов, каждый из которых имеет свой каталог. Если компьютер работает в составе сети, то в его пространство внешней памяти могут также включаться тома, расположенные в других узлах сети. В персональных системах пользователь при начале работы автоматически получает доступ ко всем наличным томам. В многопользовательской системе пользователю предоставляется только один определенный том (или несколько томов), а остальные должны быть подключены (mount - монтированы) пользователем явным образом. При работе с несколькими томами структура хранения информации может представлять собой "лес" или "дерево". В первом случае каждый том представляется, как отдельное дерево каталогов и полное имя файла включает в себя имя тома (OS/2, Windows, CMS). Во втором случае новый том подключается к основному и выглядит, как ветвь в общем дереве каталогов (Unix, OS/400). Если каталоги всех томов имеют одинаковую логическую структуру (а стандартной является структура иерархическая), то в одно дерево могут быть объединены даже тома, имеющие различную физическую структуру.С логической точки зрения нет разницы в том, находится ли монтируемый том на этом же компьютере или в другом узле сети. Кроме того, операция монтирования может быть реализована таким образом, чтобы давать пользователю доступ не ко всему тому (к корневому каталогу), а только к одной его ветви его дерева каталогов.
