Файлы и файловая система. Компоненты файловой системы Понятие назначение и основные функции файловой системы

Общие сведения о файловых системах

Операционная система Windows 8, поддерживает несколько файловых систем: NTFS, FAT и FAT32 . Но работать может только на NTFS , то есть установлена может быть только на раздел жесткого дис­ка, отформатированного в данной файловой системе. Обусловлено это теми особенностями и инструментами безопасности, которые преду­смотрены в NTFS , но отсутствуют в файловых системах Windows предыдущего поколения: FAT16 и FAT32 . Далее мы остановим­ся на всей линейке файловых систем для Windows, чтобы понять, какую роль они играют в работе системы и как они развивались в про­цессе становления Windows плоть до Windows 8.

Преимущества NTFS касаются практически всего: производительности, надежности и эффективности работы с данными (файлами) на диске. Так, одной из основных целей создания NTFS было обеспечение ско­ростного выполнения операций над файлами (копирование, чтение, удаление, запись), а также предоставление дополнительных возможно­стей: сжатие данных, восстановление поврежденных файлов системы на больших дисках и т.д.

Другой основной целью создания NTFS была реализация повышенных требований безопасности, так как файловые системы FAT , FAT32 в этом отношении вообще никуда не годились. Именно в NTFS вы можете разрешить или запретить доступ к какому-либо файлу или папке (разграничить права доступа).

Сначала рассмотрим сравнительные характеристики файловых систем, а потом остановимся на каждой из них поподробнее. Сравнение, для большей наглядности, приведены в табличной форме.

Файловая система FAT для современных жест­ких дисков просто не подходит (ввиду ее ограниченных возможностей). Что касается FAT32 , то ее еще можно использовать, но уже с натяжкой. Если купить жесткий диск на 1000 ГБ, то вам придется разбивать его как минимум на несколько разделов. А если вы собираетесь заниматься видеомонтажом, то вам будет очень мешать ограничение в 4 Гб как максимально возможный размер файла .

Всех перечисленных недостатков лишена файловая система NTFS . Так что, даже не вдаваясь в детали и специальные возможности файловой системы NTFS , можно сделать выбор в ее пользу.

Файловая система	Параметры
	Размеры тома	Максимальный размер файла
FAT	От 1.44 МБ до 4 ГБ	2ГБ
FAT32	Теоретически возможен размер тома от 512 МБ до 2 Тбайт. Сжатие не поддерживается на уровне файловой системы	4ГБ
NTFS	Минимальный рекомендуемый размер составляет 1,44 МБ, а максимальный - 2 Тбайт. Поддержка сжатия на уровне файловой системы для файлов, каталогов и томов.	Максимальный размер ограничен лишь размером тома (Теоретически - 264 байт минус 1 килобайт. Практически - 244 байт минус 64 килобайта)

Вообще использование FAT32 может быть оправдано лишь в тех случаях, когда у вас на компьютере установлено несколько операционных систем, а какая-либо из них не поддерживает NTFS . Но на сегодняшний день таких практически нет. Разве что вы захотите установить у себя антиквариат типа Windows 98.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (обычно под ней понимается FAT 16 ) была разработана достаточно давно и предназначалась для работы с небольшими дисковыми и файловыми объемами, простой структурой каталогов. Аббревиатура FAT расшифровывается как File Allocation Table (с англ. таблица размещения файлов). Эта таблица размещается в начале тома, причем хранятся две ее копии (в целях обеспечения большей устойчивости).
 Данная таблица используется операционной системой для поиска файла и определения его физического расположения на жестком диске. В случае повреждения таблицы (и ее копии) чтение файлов операционной системой становится невозможно. Она просто не может определить, где какой файл, где он начинается и где заканчивается. В таких случаях говорят, что файловая система «упала».
 Файловая система FAT изначально разрабатывалась компанией Microsoft для дискет. Только потом они стали ее применять для жестких дисков. Сначала это была FAT12 (для дискет и жестких дисков до 16 МБ), а потом она переросла в FAT16 , которая была введена в эксплуатацию с операционной системой MS-DOS 3.0.

Файловая система FAT32

Начиная с Windows 95 OSR2, компания Microsoft начинает активно ис­пользовать в своих операционных системах FAT32 - тридцатидвухраз­рядную версию FAT . Что поделать, технический прогресс не стоит на месте и возможностей FAT 16 стало явно недостаточно.
 По сравнению с ней FAT32 стала обеспечивать более оптимальный до­ступ к дискам, более высокую скорость выполнения операций ввода/вывода, а также поддержку больших файловых объемов (объем диска до 2 Тбайт).
 В FAT32 реализовано более эффективное расходование дискового пространства (путем использования более мелких кластеров). Выгода по сравнению с FAT16 составляет порядка 10...15%. То есть при использовании FAT32 на один и тот же диск может быть записано информации на 10... 15% больше, чем при использовании FAT16.
 Кроме того, необходимо отметить, что FAT32 обеспечивает более вы­сокую надежность работы и более высокую скорость запуска программ.
 Обусловлено это двумя существенными нововведениями:
  возможностью перемещения корневого каталога и резервной копии FAT (если основная копия получила повреждения)

Возможностью хранения резервной копии системных данных.

Файловая система NTFS

 Общие сведения
 Ни одна из версий FAT не обеспечивает хоть сколько-нибудь приемле­мого уровня безопасности. Это, а также необходимость в добавочных файловых механизмах (сжатия, шифрования) привело к необходимости создания принципиально новой файловой системы. И ею стала фай­ловая система NT (NTFS)
NTFS - от англ. New Technology File System - файловая система новой технологии
 Как уже упоминалось, основным ее достоинством является защищен­ность: для файлов и папок NTFS могут быть назначены права доступа (на чтение, на запись и т.д.). Благодаря этому существенно повысилась безопасность данных и устойчивость работы системы.  Назначение прав доступа позволяет запретить/разрешить каким-либо пользователям и программам проделывать какие-либо операции над файлами. Например, не обладая достаточными правами, посторонний пользователь не сможет изменить какой-либо файл. Или, опять же не обладая достаточными правами, вирус не сможет испортить файл.
 Кроме того, NTFS , как было сказано выше, обеспечивает лучшую про­изводительность и возможность работы с большими объемами данных.

Начиная с Windows 2000, используется версия NTFS 5.0 , которая, помимо стандартных, позволяет реализовывать следующие возможности:

Шифрование данных - эта возможность реализуется специальной надстройкой NTFS, которая называется Encrypting File System (EFS) - шифрующая файловая система. Благодаря этому механизму шифрованные данные могут быть прочитаны только на компьютере, на котором произошла шифровка.
Дисковые квоты - стало возможно назначать пользователям определенный (ограниченный) размер на диске, который они могут использовать.
Эффективное хранение разреженных файлов . Встречаются файлы, в которых содержится большое количество последовательных пустых байтов. Файловая система NTFS позволяет оптимизировать их хранение.

Использование журнала изменений - позволяет регистрировать все операции доступа к файлам и томам.

 И еще одно нововведение NTFS - точки монтирования . С помощью точек монтирования вы можете определить различные не связанные между собой папки и даже диски в системе, как один диск или папка. Это имеет большую важность для сбора в одном месте разнородной информации, находящейся в системе.

 ■ Напоследок необходимо иметь в виду, что если для файла под NTFS были установлены определенные права доступа, а потом вы его скопировали на раздел FAT, то все его права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утеряны. Так что будьте бдительны.

 Устройство NTFS. Главная таблица файлов MFT.
 Как и любая другая файловая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - минимальные блоки данных, на которые разбиваются файлы. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт. Однако общепринятым стандартом считается кластер размером 4 Кбайт. Именно он используется по умолчанию. Принцип существования кластеров можно проиллюстрировать следующим при­мером.
 Если у вас размер кластера составляет 4 Кбайт (что скорее всего), а вам нужно сохранить файл, размером 5 Кбайт, то реально под него будет вы­делено 8 Кбайт, так как в один кластер он не помещается, а под файл дисковое пространство выделяется только кластерами.
 Для каждого NTFS-диска имеется специальный файл - MFT (Master Allocation Table - главная таблица файлов) . В этом файле содержится централизованный каталог всех имеющихся на диске файлов. При создании файла NTFS создает и заполняет в MFT соответствующую запись, в которой содержится информация об атрибутах файла, содержимом файла, имя файла и т.п.

Помимо MFT , имеется еще 15 специальных файлов (вместе с MFT - 16), которые недоступны операционной системе и называются метафайлами . Имена всех метафайлов начинаются с символа $ , но стандартными средствами операционной системы просмотреть их и вообще увидеть не представляется возможным. Далее для примера представлены основные метафайлы:

SMFT - сам MFT.
$MFTmirr - копия первых 16 записей MFT, размещенная посе­редине диска (зеркало).
$LogFile - файл поддержки журналирования.
$Volume - служебная информация: метка тома, версия файловой системы, и т.д.
$AttrDef - список стандартных атрибутов файлов на томе.
$. - корневой каталог.
$Bitmap - карта свободного места тома.
$Boot - загрузочный сектор (если раздел загрузочный).
$Quota - файл, в котором записаны права пользователей на ис­пользование дискового пространства.
$Upcase - файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов на текущем томе.
Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в кодировке Unicode , которую составляют 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

 Что касается принципа организации данных на диске NTFS, то он условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, в которое растет метафайл MFT.
 Запись каких-либо пользовательских данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой. Это делается для того, чтобы самый главный служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
  Однако при нехватке дискового пространства MFT-зона может сама уменьшаться (если это возможно), так что никакого дискомфорта вы замечать не будете. При этом новые данные уже будут записываться в бывшую MFT-зону.
В случае последующего высвобождения дискового пространства MFT-зона снова будет увеличиваться, однако в дефрагментированном виде (то есть не единым блоком, а несколькими частями на диске). В этом нет ничего страшного, просто считается, что система более надежна, когда MFT-файл не дефрагментирован. Кроме того, при не дефрагментированном MFT-файле вся файловая система работает быстрее. Соответственно чем более дефрагментированным является MFT-файл, тем медленней работает файловая система.

Что касается размера MFT-файла, то он примерно вычисляется, исходя из 1 МБ на 1000 файлов.

Конвертирование разделов FAT32 в NTFS без потери данных. Утилита convert

Вы можете без особого труда конвертировать существующий FAT32-раздел в NTFS. Для этого в Windows 8, Windows 8.1 предусмотрена утилита командной строки convert

Параметры ее работы показаны на скриншоте

Таким образом, чтобы конвертировать в NTFS диск D:, в командную строку следует ввести следующую команду:

После этого от вас попросят ввести метку тома, если такая есть (метка тома указывается рядом с именем диска в окне Мой компьютер . Она служит для более подробного обозначения дисков и может использоваться, а может не использоваться. Например, это может быть Files Storage (D: ).
 Для конвертации флешки команда выглядит так:

convert e : /fs:ntfs /nosecurity /x

Файловая система ЭВМ, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С: и т. д. Стандартно принято, что А: и В: - это накопители на гибких магнитных дисках, а диски С:, D: и т. д. - жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски.

Электронные диски представляют собой часть оперативной памяти, которая для пользователя выглядит как ВЗУ. Скорость обмена информации с электронным диском значительно выше, чем с электромеханическим внешним запоминающим устройством. При работе электронных дисков не происходит износ электромеханических деталей. Однако после выключения питания информация на электронном диске не сохраняется.

Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических дисков, которые для пользователя будут выглядеть на экране так же, как и физически существующие диски. При этом логические диски получают имена по тем же правилам, что и физически существующие диски. Проще говоря, логический диск - это часть обычного жесткого диска, имеющая собственное имя.

Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка операционной системы часто осуществляется с гибкого диска.

Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными.

Форматирование - это подготовка диска для записи информации.

Во время форматирования на диск записывается служебная информация (делается разметка), которая затем используется для записи и чтения информации, коррекции скорости вращения диска. Разметка производится с помощью электромагнитного поля, создаваемого записывающей головкой дисковода. Запись информации осуществляется по дорожкам, причем каждая дорожка разбивается на секторы, например, по 1024 байта.

В процессе форматирования на диске выделяется системная область, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора, таблицы размещения файлов и корневого каталога.

Загрузочный сектор (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Он содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.

Загрузочный сектор создается во время форматирования диска. Если диск подготовлен как системный (загрузочный), то загрузочный сектор содержит программу загрузки операционной системы. В противном случае он содержит программу, которая при попытке загрузки с этого диска операционной системы выводит сообщение о том, что данный диск не является системным.

Файл - это набор взаимосвязанных данных, воспринимаемых компьютером как единое целое, имеющих общее имя, находящихся на магнитном или оптическом дисках, магнитной ленте, в оперативной памяти или на другом носителе информации.

Файл обычно отождествляют с участком памяти (ВЗУ, ОЗУ, ПЗУ), где размещены логически связанные данные, имеющие общее имя. Файл хранится на носителе информации в двоичной системе счисления, и для ОС он представляется как совокупность связанных байтов.

В файлах могут храниться тексты программ, документы, данные и т. д.

Если файл большой, то он может занимать несколько дорожек.

При записи информации на новый (чистый) диск файлы располагаются последовательно друг за другом: от первой дорожки до последней.

Заметим, что файлы всегда занимают целое число кластеров, поэтому в одном кластере не могут одновременно размещаться два даже небольших файла. Обратите внимание на то, что если документ состоит всего из одной буквы, то файл все равно занимает на диске один отдельный кластер.

Имена файлов регистрируются на магнитных и оптических дисках в папках, каталогах (или директориях). Термин «каталог» используется в операционных системах семейства DOS, термин «папка» - в операционных системах семейства Windows.

При многократной перезаписи и удалении файлов происходит фрагментация (дробление, разделение) дискового пространства. В результате файл может оказаться разорванным и располагаться в кластерах, находящихся на относительно большом расстоянии друг от друга. Считывание таких файлов существенно замедляется, так как дисководу необходимо дополнительное время для перемещения головок. Причина возникновения фрагментации состоит в том, что все файлы имеют, как правило, разную длину. Поэтому после удаления какого-то файла новый файл не может точно вписаться в освободившееся на диске место. Практически обязательно либо останется свободный участок диска, либо заполняются секторы, расположенные в другом месте диска (например, расположенные через несколько секторов или на других дорожках). В составе операционной системы есть специальная программа (утилита), которая осуществляет дефрагментацию диска.

Эта утилита располагает тело файла в соседних секторах, тем самым ускоряет считывание информации (не нужно переходить на другие дорожки, пропускать чужие секторы) и уменьшает износ дисковода.

Назначение и функционирование файловой системы

В операционных системах файловая система относится к основным понятиям и определяется как общая система, которая устанавливает правила присвоения имен файлам, хранение, организацию и обработку файлов на носителях информации. Носители информации (ЗУ) реализуются в виде соответствующих технических средств, для хранения информации.

Таким образом, файловая система - это часть операционной системы, которая обеспечивает запись и чтение файлов на носителях информации (внешних ЗУ), т. е. представляет пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на ЗУ. Фирма Microsoft разработала несколько файловых систем для персональных компьютеров, таких как FAT, FAT16, FAT32, NTFS и т. д. Функционирование файловой системы реализуется в виде многоуровневого процесса, где каждый уровень представляет набор функций предшествующему уровню и обращается к последующему с соответствующим запросом.

Рис.

К процессам первого уровня можно отнести процессы, связанные с определением по символьному имени файла его уникального имени, процессы второго уровня связаны с определением характеристик файла по его уникальному имени, а процессы третьего уровня - с проверкой допустимости заданной операции к искомому файлу и т. д. Процессы n-го уровня связаны с определением номера физического блока, содержащего логическую запись.

Файловая система FAT

формат команда кодовый файловый

Файловая система FAT используется ОС MS DOS и ОС Windows для упорядочения файлов и управления ими. В основу данной файловой системы положена таблица размещения FAT(File Allocation Table), которая представляет собой структуру данных, создаваемую ОС при форматировании данных на ЗУ. ОС хранит в таблице размещения файлов сведения о каждом файле, чтобы при необходимости можно было извлечь нужный файл.

Указанная файловая система вполне удовлетворяла требованиям своего времени в основном потому, что сама по себе очень компактна и проста. Благодаря этому она успешно использовалась и используется в НГМД. Для хранения файла в FAT может использоваться один или несколько кластеров, стандартный размер кластера 512 байт.

Существует несколько версий файловой системы FAT, среди которых наибольшее применение нашли файловые системы FAT 16 и FAT 32. Отличие этих файловых систем состоит в разрядности чисел, используемых в таблицах размещения файлов.

Ваш съемный диск должен использовать FAT32 для лучшей совместимости, но если Вы планируете хранить большие файлы – то форматируйте в NTFS. Mac форматирует диски в стандарт HFS+, который не работает с Windows. В Linux тоже есть свои файловые системы.

Почему их так много?

Файловая системы 101

Различные файловые системы – это просто различные способы организации и хранения файлов на жестком диске, флэш-диске или любом другом устройстве хранения. Каждое запоминающее устройство имеет одну или несколько секций, и каждая секция должна быть «отформатирована» в режим определенной файловой системы. Процесс форматирования создает пустую файловую систему такого типа на устройстве.

Файловая система обеспечивает способ разделения данных на диске на отдельные части, которые являются файлами. Он также предоставляет способ хранения данных об этих файлах – например, их имён, разрешений и других атрибутов. Файловая система также предоставляет индекс-список файлов на диске и где они расположены на диске, так что операционная система может видеть, что на диске в одном месте, и ей не придётся «прочесывать» весь диск, чтобы найти файл .

Операционная система должна понимать файловую систему, чтобы она могла отображать её содержимое, открывать файлы и сохранять в них файлы. Если ваша операционная система не понимает файловую систему, Вы можете установить драйвер файловой системы, который обеспечивает поддержку такой файловой системы.

Файловую систему компьютерного диска можно сравнить с системой организации хранения документов – биты данных на компьютере называются «файлами», и они организованы в «файловой системе», как бумажные файлы могут быть организованы в файловые шкафы. Существуют разные способы организации этих файлов и хранения данных – это есть «файловые системы».

Почему так много файловых систем

Не все файловые системы равнозначны. Различные файловые системы имеют различные способы организации своих данных. Некоторые файловые системы работают быстрее, чем другие, некоторые имеют дополнительные функции безопасности , а некоторые поддерживают диски с большими объемами памяти, в то время как другие работают только на дисках с меньшим объемом памяти. Некоторые файловые системы более надежны и устойчивы к повреждению файлов, в то время как другие снижают надежность в угоду скорости.

Не существует лучшей файловой системы , которая подходила бы для всех целей. Каждая компьютерная операционная система имеет тенденцию использовать свою собственную файловую систему, над которой также работают разработчики операционной системы. Microsoft, Apple и разработчики ядра Linux работают над своими файловыми системами. Новые файловые системы могут быть быстрее, стабильнее, лучше масштабироваться для более крупных устройств хранения данных и иметь больше возможностей, чем старые.

Файловая система не похожа на раздел , который является просто куском пространства для хранения. Файловая система определяет, как файлы раскладываются, организовываются, индексируются и как с ними связаны метаданные. Всегда есть возможность настроить и улучшить как это делается.

Переключение файловых систем

Каждый раздел имеет файловую систему. Иногда вы можете «конвертировать» файловую систему раздела, но это редко возможно. Вместо этого, вероятно, Вам придётся сначала скопировать важные данные из раздела.

Операционные системы автоматически форматируют разделы в соответствующую файловую систему в процессе установки . Если у вас есть раздел в формате Windows, на который вы хотите установить Linux, в процессе установки Linux отформатирует раздел NTFS или FAT32 в файловую систему Linux, предпочтительную для вашего дистрибутива Linux.

Таким образом, если у вас есть устройство хранения данных и вы хотите использовать другую файловую систему, просто скопируйте файлы с него, чтобы создать их резервную копию . Затем воспользуйтесь инструментом Управление дисками в Windows, gparted в Linux или дисковой утилитой в Mac OS.

Обзор распространенных файловых систем

Вот краткий обзор некоторых из наиболее распространенных файловых систем, с которыми вы столкнетесь. Он не является исчерпывающим – существует много других файловых систем для специальных задач:

• FAT32 : является одной из наиболее старых файловых систем Windows, но он всё ещё используется на съемных носителях – небольших по объему. Большие внешние жесткие диски объемом 1 ТБ или более будут, в любом случае, отформатированы с помощью NTFS. FAT32 имеет смысл использовать только с небольшими устройствами хранения или для совместимости с другими устройствами, такими как цифровые камеры, игровые консоли, приставки и другие устройства, которые поддерживают только FAT32, но NTFS.
• NTFS : современная версия файловой системы Windows – используется начиная с Windows XP. Внешние диски могут быть отформатированы с помощью FAT32 или NTFS.
• HFS+ : Mac использует HFS+ для своих внутренних разделов, ей же форматирует внешние диски – для использования внешнего жесткого диска с Time Machine требуется, чтобы атрибуты файловой системы можно было добавлять в резервную копию. Маки также могут читать и записывать файлы в файловые системы FAT32, но Вам понадобится стороннее программное обеспечение для записи в файловые системы NTFS с Mac.
• Ext2 / Ext3 / Ext4 : Вы будете часто видеть файловые системы ext2, ext3 и ext4 в Linux. Ext2 является более старой файловой системой, и она не имеет важных функций, таких как ведение журнала – если питание гаснет или компьютер аварийно завершает работу во время записи на диск ext2, данные могут быть потеряны. Ext3 добавляет эти характеристики робастности за счет некоторой скорости. Ext4 является более современным и быстрым вариантом – это файловая система используется по умолчанию на большинстве дистрибутивов Linux. Windows и Mac не поддерживают эти файловые системы – вам понадобится сторонний инструмент для доступа к файлам в таких файловых системах. Вместе с тем, Linux может читать и записывать как в FAT32, так и в NTFS.
• Btrfs : это новая файловая система Linux, которая всё ещё находится в разработке. На данный момент он не является стандартным для большинства дистрибутивов Linux, но, вероятно, однажды заменит Ext4. Цель состоит в том, чтобы предоставить дополнительные функции, которые позволяют Linux масштабировать до больших объемов хранения.
• Swap : в Linux файловая система «swap», на самом деле, не является файловой системой. Раздел, отформатированный как «swap», может быть использован в качестве пространства подкачки операционной системы – как файл подкачки Windows, но требует специальный раздел.

Существуют и другие файловые системы, особенно в Linux и других Unix-подобных системах.

Типичный пользователь компьютера не должен знать большую часть этого материала – но знание основ поможет Вам понять такие вопросы, как: «почему этот диск в формате Mac не работает с моим ПК на Windows?» и «должен ли я отформатировать этот жесткий диск USB как FAT32 или NTFS?».

Одной из главных задач ОС является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современных ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистемы ввода-вывода. Подсистема ввода-вывода включает драйверы, для управления внешними устройствами, и файловую систему.

Для предоставления удобства работы пользователя с данными, которые хранятся на дисках, ОС заменяет физическую организацию данных её логической моделью. Логическая структура – дерево каталогов, которое отображается на экране программой «Проводник» и т.д.

Файл – именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках. Данные организуются в файлы с целью долговременного и надежного хранения информации и с целью совместного использования информации. Для файла могут быть установлены атрибуты, в компьютерных сетях – права доступа.

Файловая система включает:

Совокупность всех файлов на логическом диске;

Структуры данных, которые используются для управления файлами – таблицы свободного и занятого пространства на диске, таблицы расположения файлов и т.д.

Системные программные средства, которые позволяют выполнять операции над файлами, такие как создание, удаление, копирование, перемещение, переименование, поиск.

Каждая ОС имеет свою файловую систему.

Функции файловой системы:

Распределение дисковой памяти;

Присвоение имени файлу;

Отображение имени файла в соответствующий физический адрес во внешней памяти;

Обеспечение доступа к данным;

Защита и восстановление данных;

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят:

Обычные файлы , или просто файлы, которые содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая создается в результате работы системных или пользовательских программ. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Обычные файлы делятся на два больших класса: исполнимые и неисполнимые. ОС должна уметь распознавать собственный исполнимый файл.

Каталоги – особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, которые размещены в этом каталоге (содержит имена и сведения о файлах). С точки зрения пользователя каталоги позволяют упорядочить хранение данных на диске. С точки зрения ОС каталоги используются для управления файлами.

Специальные файлы – это фиктивные файлы, которые соответствуют устройствам ввода-вывода и предназначены для выполнения команд ввода-вывода.

Как правило, файловая система имеет иерархическую структуру, во главе которой располагает один корневой каталог, имя которого совпадает с именем логического диска, а уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня входит в каталог более высокого уровня.

Каждый файл любого типа имеет свое символьное имя, правила образовании символьных имен свои в каждой ОС. В иерархически организованных файловых системах используется три типа имен: простое или символьное, полное имя или составное и относительное.

Простое имя определяет файл в пределах одного каталога. Файла могут иметь одинаковые символьные имена, если они расположены в разных каталогах. «Много файлов – одно простое имя».

Полное имя представляет собой последовательность простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла, и самого имени файла. Полное имя файла однозначно определяет файл в файловой системе. «Один файл – одно полное имя»

Относительное имя файла определяется через понятие текущий каталог, то есть тот каталог, в котором в данный момент находиться пользователь. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, для того чтобы затем использовать его как дополнение к относительному имени для образования полного имени. Пользователь записывает имя файла, начиная от текущего каталога.

Если ОС поддерживает несколько устройств внешней памяти (жесткий диск, дисковод, CD ROM), то хранение файлов может быть организовано двумя способами:

1. На каждом из устройств размещается автономная (своя собственная) файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются свои деревом каталогов ни как не связанных с деревом каталогов другого устройства;

2. Монтирование файловых систем (ОС UNIX). Пользователь имеет возможность объединить файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, которая будет иметь единое дерево каталогов.

Атрибуты файлов – свойства, приписываемые файлу. Основные атрибуты – Только для чтения, Системный, Скрытый, Архивный.

Файловая система ОС должна предоставить пользователю набор операций для работы с файлами в виде системных вызовов. Этот набор включает системные вызовы: create (создать файл), read (читать), write (запись), close (закрыть) и некоторых других. При работе с одним файлом, как правило, выполняется не одна операция, а последовательность. Например, при работе в текстовом редакторе. Какая бы операция не выполнялась над файлом, ОС должна выполнить ряд универсальных для всех операций действий:

1. По символьному имени файла найти его характеристики, которые хранятся в файловой системе на диске;

2. Скопировать характеристики файла в ОП;

3. На основании характеристик файла проверить права доступа на выполнение запрашиваемой операции (чтение, запись, удаление);

4. После выполнения операции с файлом очистить область памяти, отведенную под временное хранение характеристик файла.

Работа с файлом начинается с системного вызова OPEN , который копирует характеристики файла и проверят права доступа, и завершается системным вызовом CLOSE, который освобождает буфер с характеристиками и делает невозможным продолжение работы с файлом без его повторного открытия.

Файловая организация данных называют распределение файлов по каталогам, каталогов по логическим дискам. Логический диск – Каталог – Файл . Пользователь имеет возможность получить информацию о файловой организации данных.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на конкретном устройстве внешней памяти называется Физической организацией файловой системы.

Почему смартфон может не запускать программы с карты памяти? Чем ext4 принципиально отличается от ext3? Почему флешка проживет дольше, если отформатировать ее в NTFS, а не в FAT? В чем главная проблема F2FS? Ответы кроются в особенностях строения файловых систем. О них мы и поговорим.

Введение

Файловые системы определяют способ хранения данных. От них зависит, с какими ограничениями столкнется пользователь, насколько быстрыми будут операции чтения и записи и как долго накопитель проработает без сбоев. Особенно это касается бюджетных SSD и их младших братьев - флешек. Зная эти особенности, можно выжать из любой системы максимум и оптимизировать ее использование для конкретных задач.

Выбирать тип и параметры файловой системы приходится всякий раз, когда надо сделать что-то нетривиальное. Например, требуется ускорить наиболее частые файловые операции. На уровне файловой системы этого можно достичь разными способами: индексирование обеспечит быстрый поиск, а предварительное резервирование свободных блоков позволит упростить перезапись часто изменяющихся файлов. Предварительная оптимизация данных в оперативной памяти снизит количество требуемых операций ввода-вывода.

Увеличить срок безотказной эксплуатации помогают такие свойства современных файловых систем, как отложенная запись, дедупликация и другие продвинутые алгоритмы. Особенно актуальны они для дешевых SSD с чипами памяти TLC, флешек и карт памяти.

Отдельные оптимизации существуют для дисковых массивов разных уровней: например, файловая система может поддерживать упрощенное зеркалирование тома, мгновенное создание снимков или динамическое масштабирование без отключения тома.

Черный ящик

Пользователи в основном работают с той файловой системой, которая предлагается по умолчанию операционной системой. Они редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках - просто используют рекомендованные параметры или вообще покупают предварительно отформатированные носители.

У поклонников Windows все просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или та же NTFS) на флешках. Если же стоит NAS и в нем используется какая-то другая файловая система, то для большинства это остается за гранью восприятия. К нему просто подключаются по сети и качают файлы, как из черного ящика.

На мобильных гаджетах с Android чаще всего встречается ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Яблочникам же и вовсе без разницы, что у них за файловая система: HFS+, HFSX, APFS, WTFS... для них существуют только красивые значки папок и файлов, нарисованные лучшими дизайнерами. Богаче всего выбор у линуксоидов, но прикрутить поддержку неродных для операционки файловых систем можно и в Windows, и в macOS - об этом чуть позже.

Общие корни

Различных файловых систем создано свыше сотни, но актуальными можно назвать чуть больше десятка. Хотя все они разрабатывались для своих специфических применений, многие в итоге оказались родственными на концептуальном уровне. Они похожи, поскольку используют однотипную структуру представления (мета)данных - B-деревья («би-деревья»).

Как и любая иерархическая система, B-дерево начинается с корневой записи и далее ветвится вплоть до конечных элементов - отдельных записей о файлах и их атрибутах, или «листьев». Основной смысл создания такой логической структуры был в том, чтобы ускорить поиск объектов файловой системы на больших динамических массивах - вроде жестких дисков объемом в несколько терабайт или еще более внушительных RAID-массивов.

B-деревья требуют гораздо меньше обращений к диску, чем другие типы сбалансированных деревьев, при выполнении тех же операций. Достигается это за счет того, что конечные объекты в B-деревьях иерархически расположены на одной высоте, а скорость всех операций как раз пропорциональна высоте дерева.

Как и другие сбалансированные деревья, B-trees имеют одинаковую длину путей от корня до любого листа. Вместо роста ввысь они сильнее ветвятся и больше растут в ширину: все точки ветвления у B-дерева хранят множество ссылок на дочерние объекты, благодаря чему их легко отыскать за меньшее число обращений. Большое число указателей снижает количество самых длительных дисковых операций - позиционирования головок при чтении произвольных блоков.

Концепция B-деревьев была сформулирована еще в семидесятых годах и с тех пор подвергалась различным улучшениям. В том или ином виде она реализована в NTFS, BFS, XFS, JFS, ReiserFS и множестве СУБД. Все они - родственники с точки зрения базовых принципов организации данных. Отличия касаются деталей, зачастую довольно важных. Недостаток у родственных файловых систем тоже общий: все они создавались для работы именно с дисками еще до появления SSD.

Флеш-память как двигатель прогресса

Твердотельные накопители постепенно вытесняют дисковые, но пока вынуждены использовать чуждые им файловые системы, переданные по наследству. Они построены на массивах флеш-памяти, принципы работы которой отличаются от таковых у дисковых устройств. В частности, флеш-память должна стираться перед записью, а эта операция в чипах NAND не может выполняться на уровне отдельных ячеек. Она возможна только для крупных блоков целиком.

Связано это ограничение с тем, что в NAND-памяти все ячейки объединены в блоки, каждый из которых имеет только одно общее подключение к управляющей шине. Не будем вдаваться в детали страничной организации и расписывать полную иерархию. Важен сам принцип групповых операций с ячейками и тот факт, что размеры блоков флеш-памяти обычно больше, чем блоки, адресуемые в любой файловой системе. Поэтому все адреса и команды для накопителей с NAND flash надо транслировать через слой абстрагирования FTL (Flash Translation Layer).

Совместимость с логикой дисковых устройств и поддержку команд их нативных интерфейсов обеспечивают контроллеры флеш-памяти. Обычно FTL реализуется именно в их прошивке, но может (частично) выполняться и на хосте - например, компания Plextor пишет для своих SSD драйверы, ускоряющие запись.

Совсем без FTL не обойтись, поскольку даже запись одного бита в конкретную ячейку приводит к запуску целой серии операций: контроллер отыскивает блок, содержащий нужную ячейку; блок считывается полностью, записывается в кеш или на свободное место, затем стирается целиком, после чего перезаписывается обратно уже с необходимыми изменениями.

Такой подход напоминает армейские будни: чтобы отдать приказ одному солдату, сержант делает общее построение, вызывает бедолагу из строя и командует остальным разойтись. В редкой ныне NOR-памяти организация была спецназовская: каждая ячейка управлялась независимо (у каждого транзистора был индивидуальный контакт).

Задач у контроллеров все прибавляется, поскольку с каждым поколением флеш-памяти техпроцесс ее изготовления уменьшается ради повышения плотности и удешевления стоимости хранения данных. Вместе с технологическими нормами уменьшается и расчетный срок эксплуатации чипов.

Модули с одноуровневыми ячейками SLC имели заявленный ресурс в 100 тысяч циклов перезаписи и даже больше. Многие из них до сих пор работают в старых флешках и карточках CF. У MLC корпоративного класса (eMLC) ресурс заявлялся в пределах от 10 до 20 тысяч, в то время как у обычной MLC потребительского уровня он оценивается в 3–5 тысяч. Память этого типа активно теснит еще более дешевая TLC, у которой ресурс едва дотягивает до тысячи циклов. Удерживать срок жизни флеш-памяти на приемлемом уровне приходится за счет программных ухищрений, и новые файловые системы становятся одним из них.

Изначально производители предполагали, что файловая система неважна. Контроллер сам должен обслуживать недолговечный массив ячеек памяти любого типа, распределяя между ними нагрузку оптимальным образом. Для драйвера файловой системы он имитирует обычный диск, а сам выполняет низкоуровневые оптимизации при любом обращении. Однако на практике оптимизация у разных устройств разнится от волшебной до фиктивной.

В корпоративных SSD встроенный контроллер - это маленький компьютер. У него есть огромный буфер памяти (полгига и больше), и он поддерживает множество методов повышения эффективности работы с данными, что позволяет избегать лишних циклов перезаписи. Чип упорядочивает все блоки в кеше, выполняет отложенную запись, производит дедупликацию на лету, резервирует одни блоки и очищает в фоне другие. Все это волшебство происходит абсолютно незаметно для ОС, программ и пользователя. С таким SSD действительно непринципиально, какая файловая система используется. Внутренние оптимизации оказывают гораздо большее влияние на производительность и ресурс, чем внешние.

В бюджетные SSD (и тем более - флешки) ставят куда менее умные контроллеры. Кеш в них урезан или отсутствует, а продвинутые серверные технологии не применяются вовсе. В картах памяти контроллеры настолько примитивные, что часто утверждается, будто их нет вовсе. Поэтому для дешевых устройств с флеш-памятью остаются актуальными внешние методы балансировки нагрузки - в первую очередь при помощи специализированных файловых систем.

От JFFS к F2FS

Одной из первых попыток написать файловую систему, которая бы учитывала принципы организации флеш-памяти, была JFFS - Journaling Flash File System. Изначально эта разработка шведской фирмы Axis Communications была ориентирована на повышение эффективности памяти сетевых устройств, которые Axis выпускала в девяностых. Первая версия JFFS поддерживала только NOR-память, но уже во второй версии подружилась с NAND.

Сейчас JFFS2 имеет ограниченное применение. В основном она все так же используется в дистрибутивах Linux для встраиваемых систем. Ее можно найти в маршрутизаторах, IP-камерах, NAS и прочих завсегдатаях интернета вещей. В общем, везде, где требуется небольшой объем надежной памяти.

Дальнейшей попыткой развития JFFS2 стала LogFS, у которой индексные дескрипторы хранились в отдельном файле. Авторы этой идеи - сотрудник немецкого подразделения IBM Йорн Энгель и преподаватель Оснабрюкского университета Роберт Мертенс. Исходный код LogFS выложен на GitHub . Судя по тому, что последнее изменение в нем было сделано четыре года назад, LogFS так и не обрела популярность.

Зато эти попытки подстегнули появление другой специализированной файловой системы - F2FS. Ее разработали в корпорации Samsung, на долю которой приходится немалая часть производимой в мире флеш-памяти. В Samsung делают чипы NAND Flash для собственных устройств и по заказу других компаний, а также разрабатывают SSD с принципиально новыми интерфейсами вместо унаследованных дисковых. Создание специализированной файловой системы с оптимизацией для флеш-памяти было с точки зрения Samsung давно назревшей необходимостью.

Четыре года назад, в 2012 году, в Samsung создали F2FS (Flash Friendly File System). Ее идея хороша, но реализация оказалась сыроватой. Ключевая задача при создании F2FS была проста: снизить число операций перезаписи ячеек и распределить нагрузку на них максимально равномерно. Для этого требуется выполнять операции с несколькими ячейками в пределах того же блока одновременно, а не насиловать их по одной. Значит, нужна не мгновенная перезапись имеющихся блоков по первому запросу ОС, а кеширование команд и данных, дозапись новых блоков на свободное место и отложенное стирание ячеек.

Сегодня поддержка F2FS уже официально реализована в Linux (а значит, и в Android), но особых преимуществ на практике она пока не дает. Основная особенность этой файловой системы (отложенная перезапись) привела к преждевременным выводам о ее эффективности. Старый трюк с кешированием даже одурачивал ранние версии бенчмарков, где F2FS демонстрировала мнимое преимущество не на несколько процентов (как ожидалось) и даже не в разы, а на порядки. Просто драйвер F2FS рапортовал о выполнении операции, которую контроллер только планировал сделать. Впрочем, если реальный прирост производительности у F2FS и невелик, то износ ячеек определенно будет меньше, чем при использовании той же ext4. Те оптимизации, которые не сможет сделать дешевый контроллер, будут выполнены на уровне самой файловой системы.

Экстенты и битовые карты

Пока F2FS воспринимается как экзотика для гиков. Даже в собственных смартфонах Samsung все еще применяется ext4. Многие считают ее дальнейшим развитием ext3, но это не совсем так. Речь идет скорее о революции, чем о преодолении барьера в 2 Тбайт на файл и простом увеличении других количественных показателей.

Когда компьютеры были большими, а файлы - маленькими, адресация не представляла сложностей. Каждому файлу выделялось энное количество блоков, адреса которых заносились в таблицу соответствия. Так работала и файловая система ext3, остающаяся в строю до сих пор. А вот в ext4 появился принципиально другой способ адресации - экстенты.

Экстенты можно представить как расширения индексных дескрипторов в виде обособленных наборов блоков, которые адресуются целиком как непрерывные последовательности. Один экстент может содержать целый файл среднего размера, а для крупных файлов достаточно выделить десяток-другой экстентов. Это куда эффективнее, чем адресовать сотни тысяч мелких блоков по четыре килобайта.

Поменялся в ext4 и сам механизм записи. Теперь распределение блоков происходит сразу за один запрос. И не заранее, а непосредственно перед записью данных на диск. Отложенное многоблочное распределение позволяет избавиться от лишних операций, которыми грешила ext3: в ней блоки для нового файла выделялись сразу, даже если он целиком умещался в кеше и планировался к удалению как временный.

Диета с ограничением FAT

Помимо сбалансированных деревьев и их модификаций, есть и другие популярные логические структуры. Существуют файловые системы с принципиально другим типом организации - например, линейным. Как минимум одной из них ты наверняка часто пользуешься.

Загадка

Отгадай загадку: в двенадцать она начала полнеть, к шестнадцати была глуповатой толстушкой, а к тридцати двум стала жирной, так и оставшись простушкой. Кто она?

Правильно, это история про файловую систему FAT. Требования совместимости обеспечили ей дурную наследственность. На дискетах она была 12-разрядной, на жестких дисках - поначалу 16-битной, а до наших дней дошла уже как 32-разрядная. В каждой следующей версии увеличивалось число адресуемых блоков, но в самой сути ничего не менялось.

Популярная до сих пор файловая система FAT32 появилась аж двадцать лет назад. Сегодня она все так же примитивна и не поддерживает ни списки управления доступом, ни дисковые квоты, ни фоновое сжатие, ни другие современные технологии оптимизации работы с данными.

Зачем же FAT32 нужна в наши дни? Все так же исключительно для обеспечения совместимости. Производители справедливо полагают, что раздел с FAT32 сможет прочитать любая ОС. Поэтому именно его они создают на внешних жестких дисках, USB Flash и картах памяти.

Как освободить флеш-память смартфона

Карточки microSD(HC), используемые в смартфонах, по умолчанию отформатированы в FAT32. Это основное препятствие для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы его преодолеть, нужно создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), поэтому любое приложение сможет работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела, но для этого можно запустить Linux (хотя бы в виртуалке) или продвинутую утилиту для работы с логической разметкой - например, MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов, чем в случае с одним разделом FAT32.

Как еще один аргумент в пользу выбора FAT32 часто называют отсутствие в ней журналирования, а значит, более быстрые операции записи и меньший износ ячеек памяти NAND Flash. На практике же использование FAT32 приводит к обратному и порождает множество других проблем.

Флешки и карты памяти как раз быстро умирают из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов, где расположены две цепочки файловых таблиц. Сохранил веб-страничку целиком, и она перезаписалась раз сто - с каждым добавлением на флешку очередной мелкой гифки. Запустил портейбл-софт? Он насоздавал временных файлов и постоянно меняет их во время работы. Поэтому гораздо лучше использовать на флешках NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Мелкие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а ее расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Вдобавок благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее.

INFO

Для FAT32 и NTFS теоретические ограничения по уровню вложенности не указаны, но на практике они одинаковые: в каталоге первого уровня можно создать только 7707 подкаталогов. Любители поиграть в матрешки оценят.

Другая проблема, с которой сталкивается большинство пользователей, - на раздел с FAT32 невозможно записать файл больше 4 Гбайт. Причина заключается в том, что в FAT32 размер файла описывается 32 битами в таблице размещения файлов, а 2^32 (минус единица, если быть точным) как раз дают четыре гига. Получается, что на свежекупленную флешку нельзя записать ни фильм в нормальном качестве, ни образ DVD.

Копирование больших файлов еще полбеды: при попытке сделать это ошибка хотя бы видна сразу. В других ситуациях FAT32 выступает в роли бомбы замедленного действия. Например, ты скопировал на флешку портейбл-софт и на первых порах пользуешься им без проблем. Спустя длительное время у одной из программ (допустим, бухгалтерской или почтовой) база данных раздувается, и... она просто перестает обновляться. Файл не может быть перезаписан, поскольку достиг лимита в 4 Гбайт.

Менее очевидная проблема заключается в том, что в FAT32 дата создания файла или каталога может быть задана с точностью до двух секунд. Этого недостаточно для многих криптографических приложений, использующих временные метки. Низкая точность атрибута «дата» - еще одна причина того, почему FAT32 не рассматривается как полноценная файловая система с точки зрения безопасности. Однако ее слабые стороны можно использовать и в своих целях. Например, если скопировать на том FAT32 любые файлы с раздела NTFS, то они очистятся от всех метаданных, а также унаследованных и специально заданных разрешений. FAT просто не поддерживает их.

exFAT

В отличие от FAT12/16/32, exFAT разрабатывалась специально для USB Flash и карт памяти большого (≥ 32 Гбайт) объема. Extended FAT устраняет упомянутый выше недостаток FAT32 - перезаписывание одних и тех же секторов при любом изменении. Как у 64-разрядной системы, у нее нет практически значимых лимитов на размер одного файла. Теоретически он может иметь длину в 2^64 байт (16 Эбайт), а карточки такого объема появятся нескоро.

Еще одно принципиальное отличие exFAT - поддержка списков контроля доступа (ACL). Это уже не та простушка из девяностых, однако внедрению exFAT мешает закрытость формата. Поддержка exFAT полноценно и легально реализована только в Windows (начиная с XP SP2) и OS X (начиная с 10.6.5). В Linux и *BSD она поддерживается либо с ограничениями, либо не вполне законно. Microsoft требует лицензировать использование exFAT, и в этой области много правовых споров.

Btrfs

Еще один яркий представитель файловых систем на основе B-деревьев называется Btrfs. Эта ФС появилась в 2007 году и изначально создавалась в Oracle с прицелом на работу с SSD и RAID. Например, ее можно динамически масштабировать: создавать новые индексные дескрипторы прямо в работающей системе или разделять том на подтома без выделения им свободного места.

Реализованный в Btrfs механизм копирования при записи и полная интеграция с модулем ядра Device mapper позволяют делать практически мгновенные снапшоты через виртуальные блочные устройства. Предварительное сжатие данных (zlib или lzo) и дедупликация ускоряют основные операции, заодно продлевая время жизни флеш-памяти. Особенно это заметно при работе с базами данных (достигается сжатие в 2–4 раза) и мелкими файлами (они записываются упорядоченно крупными блоками и могут храниться непосредственно в «листьях»).

Также Btrfs поддерживает режим полного журналирования (данных и метаданных), проверку тома без размонтирования и множество других современных фич. Код Btrfs опубликован под лицензией GPL. Эта файловая система поддерживается в Linux как стабильная начиная с версии ядра 4.3.1.

Бортовые журналы

Практически все более-менее современные файловые системы (ext3/ext4, NTFS, HFSX, Btrfs и другие) относят к общей группе журналируемых, поскольку они ведут учет вносимых изменений в отдельном логе (журнале) и сверяются с ним в случае сбоя при выполнении дисковых операций. Однако степень подробности ведения журналов и отказоустойчивость у этих файловых систем разные.

Еxt3 поддерживает три режима ведения журнала: с обратной связью, упорядоченный и полное журналирование. Первый режим подразумевает запись только общих изменений (метаданных), выполняемую асинхронно по отношению к изменениям самих данных. Во втором режиме выполняется та же запись метаданных, но строго перед внесением любых изменений. Третий режим эквивалентен полному журналированию (изменений как в метаданных, так и в самих файлах).

Целостность данных обеспечивает только последний вариант. Остальные два лишь ускоряют выявление ошибок в ходе проверки и гарантируют восстановление целостности самой файловой системы, но не содержимого файлов.

Журналирование в NTFS похоже на второй режим ведения лога в ext3. В журнал записываются только изменения в метаданных, а сами данные в случае сбоя могут быть утеряны. Такой метод ведения журнала в NTFS задумывался не как способ достижения максимальной надежности, а лишь как компромисс между быстродействием и отказоустойчивостью. Именно поэтому люди, привыкшие к работе с полностью журналируемыми системами, считают NTFS псевдожурналируемой.

Реализованный в NTFS подход в чем-то даже лучше используемого по умолчанию в ext3. В NTFS дополнительно периодически создаются контрольные точки, которые гарантируют выполнение всех отложенных ранее дисковых операций. Контрольные точки не имеют ничего общего с точками восстановления в \System Volume Infromation\ . Это просто служебные записи в логе.

Практика показывает, что такого частичного журналирования NTFS в большинстве случаев хватает для беспроблемной работы. Ведь даже при резком отключении питания дисковые устройства не обесточиваются мгновенно. Блок питания и многочисленные конденсаторы в самих накопителях обеспечивают как раз тот минимальный запас энергии, которого хватает на завершение текущей операции записи. Современным SSD при их быстродействии и экономичности такого же количества энергии обычно хватает и на выполнение отложенных операций. Попытка же перейти на полное журналирование снизила бы скорость большинства операций в разы.

Подключаем сторонние ФС в Windows

Использование файловых систем лимитировано их поддержкой на уровне ОС. Например, Windows не понимает ext2/3/4 и HFS+, а использовать их порой надо. Сделать это можно, добавив соответствующий драйвер.

WARNING

Большинство драйверов и плагинов для поддержки сторонних файловых систем имеют свои ограничения и не всегда работают стабильно. Они могут конфликтовать с другими драйверами, антивирусами и программами виртуализации.

Открытый драйвер для чтения и записи на разделы ext2/3 с частичной поддержкой ext4. В последней версии поддерживаются экстенты и разделы объемом до 16 Тбайт. Не поддерживаются LVM, списки контроля доступа и расширенные атрибуты.

Существует бесплатный плагин для Total Commander. Поддерживает чтение разделов ext2/3/4.

coLinux - открытый и бесплатный порт ядра Linux. Вместе с 32-битным драйвером он позволяет запускать Linux в среде Windows с 2000 по 7 без использования технологий виртуализации. Поддерживает только 32-битные версии. Разработка 64-битной модификации была отменена. сoLinux позволяет в том числе организовать из Windows доступ к разделам ext2/3/4. Поддержка проекта приостановлена в 2014 году.

Возможно, в Windows 10 уже есть встроенная поддержка характерных для Linux файловых систем, просто она скрыта. На эти мысли наводит драйвер уровня ядра Lxcore.sys и сервис LxssManager, который загружается как библиотека процессом Svchost.exe. Подробнее об этом смотри в докладе Алекса Ионеску «Ядро Линукс, скрытое внутри Windows 10», с которым он выступил на Black Hat 2016.

ExtFS for Windows - платный драйвер, выпускаемый компанией Paragon. Он работает в Windows с 7 по 10, поддерживает доступ к томам ext2/3/4 в режиме чтения и записи. Обеспечивает почти полную поддержку ext4 в Windows.

HFS+ for Windows 10 - еще один проприетарный драйвер производства Paragon Software. Несмотря на название, работает во всех версиях Windows начиная с XP. Предоставляет полный доступ к файловым системам HFS+/HFSX на дисках с любой разметкой (MBR/GPT).

WinBtrfs - ранняя разработка драйвера Btrfs для Windows. Уже в версии 0.6 поддерживает доступ к томам Btrfs как на чтение, так и на запись. Умеет обрабатывать жесткие и символьные ссылки, поддерживает альтернативные потоки данных, ACL, два вида компрессии и режим асинхронного чтения/записи. Пока WinBtrfs не умеет использовать mkfs.btrfs, btrfs-balance и другие утилиты для обслуживания этой файловой системы.

Возможности и ограничения файловых систем: сводная таблица

Фай-ло-вая сис-те-ма	Мак-си-маль-ный раз-мер тома	Пре-дель-ный раз-мер одного файла	Дли-на собст-вен-ного имени файла	Дли-на пол-но-го имени файла (вклю-чая путь от корня)	Пре-дель-ное число файлов и/или ката-ло-гов	Точ-ность ука-за-ния даты файла/ката-ло-га	Права дос-ту-па	Жёсткие ссылки	Сим-воль-ные ссылки	Мгно-вен-ные снимки (snap-shots)	Сжа-тие дан-ных в фоне	Шиф-ро-ва-ние дан-ных в фоне	Деду-пли-ка-ция дан-ных
FAT16	2 ГБ секторами по 512 байт или 4 ГБ кластерами по 64 КБ	2 ГБ	255 байт с LFN	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
FAT32	8 ТБ секторами по 2 КБ	4 ГБ (2^32 - 1 байт)	255 байт с LFN	до 32 подкаталогов с CDS	65460	10 мс (создание) / 2 с (изменение)	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
exFAT	≈ 128 ПБ (2^32-1 кластеров по 2^25-1 байт) теоретически / 512 ТБ из-за сторонних ограничений	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)			2796202 в каталоге	10 мс	ACL	нет	нет	нет	нет	нет	нет
NTFS	256 ТБ кластерами по 64 КБ или 16 ТБ кластерами по 4 КБ	16 ТБ (Win 7) / 256 ТБ (Win 8)	255 символов Unicode (UTF-16)	32760 символов Unicode, но не более 255 символов в каждом элементе	2^32-1	100 нс	ACL	да	да	да	да	да	да
HFS+	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^32-1	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	да	да	нет
APFS	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^63	1 нс	Unix, ACL	да	да	да	да	да	да
Ext3	32 ТБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	2 ТБ (теоретически) / 16 ГБ у старых программ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	-	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	нет	нет	нет
Ext4	1 ЭБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	16 ТБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	4 млрд.	1 нс	POSIX	да	да	нет	нет	да	нет
F2FS	16 ТБ	3,94 ТБ	255 байт	отдельно не ограничивается	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	нет	нет	да	нет
BTRFS	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)	16 ЭБ	255 символов ASCII	2^17 байт	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	да	да	да	да