Да и вообще — как, собственно, устроена система хранения данных на компьютере? Нет, ясно — данные записаны в секторах жесткого диска, чтение их оттуда и запись туда осуществляется контроллером винчестера согласно командам операционной системы. Но ведь секторов так много, и данные в них такие разные! Как же все-таки компьютер находит на кружке из алюминия с магнитным покрытием нужную информацию и при этом не путается? Как он разбирается во всей этой массе секторов?

Для того, чтобы решить задачу размещения данных на диске, была создана файловая система — такой способ хранения информации, при котором вся она представлена отдельными фрагментами, имеющими имена — файлами.

В разных операционных системах файловая система устроена по-разному. В этой главе будет рассмотрена система FAT, использующаяся в MS-DOS, Windows95 и Windows98 в качестве основной файловой системы, так как она является наиболее просто устроенной и на ее примере легко продемонстрировать основные принципы организации данных. Структура файловых систем, использующихся в качестве основных в операционных системах Unix, Linux, Windows NT/2000/XP другая, но их устройство — тема отдельной книги.

Кластерная организация

На минутку представим себя создателями первых операционных систем. Вот у нас есть жесткий диск — огромный массив секторов размером по 512 байт. Сектор, или блок — это "единица" поверхности жесткого диска на физическом уровне: именно к секторам обращается микросхема, управляющая жестким диском — контроллер жесткого диска — при проведении операций чтения и записи. Каждый сектор имеет свой "адрес" на диске, который известен контроллеру. Нужно обеспечить возможность записи файлов (то есть — отдельных фрагментов информации, каждый из которых имеет имя) на диск и чтения их оттуда, причем размер файлов значительно превышает 512 байт — то есть весь жесткий диск можно считать одной непрерывной поверхностью для записи данных.

Казалось бы — а в чем проблема? Пишем файлы на диск друг за другом, записываем в особую область на диске информацию о номерах секторов с началами файлов и размер каждого файла — и нет проблем. Чтобы прочесть нужный файл, надо лишь перейти к его началу и считать столько секторов, сколько файл занимает. Но дело в том, что файлы с жесткого диска иногда надо не только читать, но и удалять, а на их место записывать новые. И что же получится? Файл удален, после него осталось свободное место, а другой файл, который предполагается записать на место старого, отличается по размерам и либо не влезает целиком туда, либо меньше и не заполняет все освободившееся место! В первом случае придется либо искать достаточно большой кусок свободного места, либо записывать новый файл в конец диска, а во втором — пытаться заполнить оставшееся свободным место более мелкими файлами. Все очень неудобно, и к тому же в результате может получиться диск, на котором полно свободных секторов, а новый файл записать некуда.

Чтобы решить эту проблему, был придуман принцип кластерной структуры жесткого диска и использования специальной таблицы размещения файлов. При использовании этого принципа весь жесткий диск как бы делится на множество кусочков равного объема — кластеров, каждый из которых содержит одинаковое число секторов. В начале диска размещается особая область с данными — FAT-таблица (от File Allocation Table — таблица размещения файлов), в которой записывается, в каких кластерах находится содержимое каждого находящегося на жестком диске файла. Например, примерно так: "файл записан в 121, 122 и 123 кластерах".

С первого взгляда может показаться, что это — такая же ситуация, как и ранее. Но все дело в том, что один файл может располагаться не в последовательно расположенных кластерах, а в множестве отдельных кластеров, разбросанных по всему диску. Достаточно лишь перечислить номера этих кластеров и указать их последовательность друг за другом. То есть в FAT может появиться такая информация: "файл расположен в кластерах 120, 124 и 137". Операционная система, получив запрос на чтение этого файла, смотрит в FAT, в каких кластерах он записан, а потом последовательно их считывает, переписывая содержимое этих кластеров в оперативную память и соединяя его в ней в один неразрывный файл.

Когда же операционной системе надо записать данные на жесткий диск, то она смотрит по таблице размещения файлов, где находится первый свободный кластер (то есть кластер, который не принадлежит какому-либо файлу), и пишет данные в него и последующие кластеры, указывая их номера в той же таблице. Но как только процесс записи файла на диск натыкается на занятый кластер, то система вновь ищет ближайший свободный кластер, следующий за занятыми, и продолжает запись данных на диск с него^[20]. Если файл удаляется, то соответствующие ему кластеры освобождаются (точнее, просто их номера помечаются в таблице размещения файлов как свободные), и в эти кластеры снова возможна запись других данных.

Таблица FAT

Таблица FAT — это как бы уменьшенное изображение строения всего жесткого диска (рис. 8.2). Она состоит из отдельных записей-"строчек" с информацией о последовательности кластеров в файлах.

Рис. 8.2. Если вы хотите наглядно представить себе, что такое FAT, то запустите программу дефрагментации диска из Windows95/98 и отобразите сведения о диске. Вот FAT — это примерно то же самое, только там вместо цветных квадратиков — отдельные записи, описывающие состояние каждого кластера диска.

В каждой записи FAT содержится информация следующих видов:

1. Если кластер, к которому относится данная запись FAT, не является последним в файле, то в данной записи будет указан номер следующего кластера, в котором записан данный файл.

2. Если кластер, к которому относится данная запись FAT, является последним в файле, то в данной записи будет стоять специальная метка конца файла.

3. Если кластер, к которому относится данная запись FAT, не относится ни к какому файлу, то в данной записи будет находится информация, указывающая, что этот кластер свободный.

4. Если кластер, к которому относится данная запись FAT, расположен на поврежденной области диска, то в данной записи будет находится информация, указывающая, что этот кластер поврежден и не должен использоваться.

Каждая запись в FAT имеет вполне определенную длину — 12, 16 или 32 бита. В зависимости от длины отдельных таких записей в FAT ее разновидности так и называются — FAT12, FAT16 и FAT32.

С целью повышения надежности на диске обычно находится две копии FAT, записанные в его начале одна за другой. При сбое в первой копии используется вторая, резервная, а при сбое в обоих — лучше сохранившаяся.

О том, с какого сектора начинается каждый кластер, нетрудно рассчитать на основе информации о размерах кластера и номере сектора начала области с файлами, разбитой на кластеры, что, собственно, и делается операционной системой.

Узнать, какая файловая система установлена на вашем жестком диске, в операционных системах Windows можно в окне "Свойства диска". (Файловая система FAT16 обозначается как просто "FAT".)

В FAT располагается информация только о физическом строении файлов — о том, в каких кластерах располагается каждый файл. В ней нет ни названий файлов, ни дат их создания, вообще — нет никакой информации о них. Только информация о связях кластеров между собой в файлы.

При обращении операционной системы, скажем, для чтения какого-либо файла она обязана посмотреть сначала в FAT, узнать, в каких кластерах располагается нужный файл, а затем приказать головкам жесткого диска пройтись по этим кластерам и считать их содержимое. То есть — при каждом запросе на считывание или запись файла обязательно происходит обращение и к FAT. Вследствие этого с целью предотвратить постоянные перемещения головок по жесткому диску (к FAT и к кластерам с данными) FAT переписывается в оперативную память — кэшируется, и работа с ее копией на самом диске происходит лишь при изменении таблицы FAT, например, при создании нового файла или сохранении созданного ранее.