Лекция № 2: Файловая система и ввод-вывод информации

Для ознакомления с предыдущей лекцией, перейдите по ссылке.

Что такое файловая система?

Файловая система (ФС) — это механизм для управления данными на устройствах хранения (жестких дисках, SSD, флеш-накопителях и других). Она определяет способ, которым файлы и каталоги (папки) организуются, хранятся и извлекаются на устройствах.

Основные функции файловой системы

• Организация хранения данных: Файловая система определяет, как данные структурируются на устройстве (например, как данные разбиваются на блоки).
• Путеводитель (метаданные): Файловая система управляет метаданными файлов, такими как имя файла, его расположение, права доступа, временные метки и т.д.
• Доступ к данным: обеспечивает механизмы для доступа к данным — чтение, запись, удаление файлов.
• Управление правами доступа: Файловая система регулирует, какие пользователи и процессы могут работать с конкретными файлами и каталогами.

Типы файловых систем

• FAT (File Allocation Table): Простая файловая система, использующая таблицу для отслеживания расположения файлов. Применяется на устройствах с малым объёмом памяти (флешки, карты памяти).
• NTFS (New Technology File System): Более сложная файловая система, используемая в Windows. Поддерживает большие объёмы данных, сложную структуру метаданных и более гибкое управление правами доступа.
• ext3/ext4: Используются в Linux. Обеспечивают высокий уровень надежности и поддержку больших объёмов данных.
• HFS+ (Hierarchical File System Plus): Используется в macOS, также с поддержкой метаданных и большого объёма хранения.

Структура файловой системы

Файловая система организована в иерархическую структуру, включающую:

• Файлы: хранят данные.
• Каталоги (папки): хранят ссылки на файлы или другие каталоги.
• Сектора и блоки: на физическом уровне данные разделены на блоки (или кластеры), которые могут иметь фиксированный размер.
• Индексы и дескрипторы: Метаданные, описывающие файлы (например, путь, права доступа, размер, дата последнего изменения).

Механизм ввода-вывода

Механизм ввода-вывода отвечает за взаимодействие операционной системы с внешними устройствами, такими как диски, клавиатуры, мыши, принтеры и т.д. Он реализует абстракцию над аппаратным обеспечением и позволяет программам работать с устройствами через стандартные интерфейсы.

Типы устройств ввода-вывода

• Блоковые устройства: работают с данными блоками фиксированного размера (жёсткие диски, SSD). Данные можно читать и записывать блоками.
• Потоковые устройства: обрабатывают данные по одному элементу (клавиатура, принтер). Взаимодействие обычно более линейное.

Принципы работы с вводом-выводом

• Буферизация: для повышения производительности данные часто сохраняются во временных буферах перед отправкой или после получения.
• Асинхронность: операции ввода-вывода могут выполняться асинхронно, что позволяет процессу продолжать выполнение, не ожидая завершения.
• Системы очередей: операции обрабатываются в порядке очереди, например, с использованием алгоритмов планирования.

Модели и технологии ввода-вывода

• Блоковый ввод-вывод: операции с данными происходят с блоками фиксированного размера.
• Символьный ввод-вывод: операции с устройствами, такими как клавиатура или принтер.
• Директ-доступ (DMA): позволяет устройствам передавать данные напрямую в память, минуя процессор.
• I/O Scheduling: алгоритмы планирования операций для повышения эффективности.

Организация хранения данных

Хранение данных требует эффективных структур для обеспечения доступа, надежности и производительности. Включает:

• Логическое и физическое хранение данных
• Управление пространством хранения, включая размещение и дефрагментацию
• Резервное копирование и восстановление данных

Архивация данных

Архивация — это процесс сжатия и хранения данных для экономии пространства и удобства переноса или долговременного хранения.

Методы архивации

• Без потерь: сжатие без потери информации (ZIP, GZIP, RAR)
• С потерями: сжатие с потерей части данных (JPEG, MP3)

Инструменты архивации

• tar и gzip в Linux/Unix
• WinRAR, 7-Zip в Windows

Задачи архивации

• Экономия пространства
• Облегчение передачи данных
• Долговременное хранение