• Манипуляции с файлами:

• создание файла (определение имени, выделение места во внешней памяти);

• удаление файла (освобождение имени и занимаемого файлами пространства);

• открытие файла (объявление ОС о намерении использовать файл с определенными функциями доступа и правами);

• закрытие открытого файла (запрещение всякого доступа к файлу);

• копирование и переименование файла.

5. Связь файлов и потоков ввода/вывода, соединение и переадресацию потоков.

6. Организацию логической структуры файлов и доступа к записям файлов в требуемом порядке.

7. Модификацию записей файлов: читать, писать, изменять, вставлять, добавлять, удалять записи.

8. Защиту файлов от несанкционированного доступа и управление правами доступа.

Кроме того, может быть масса сервисных функций проверки и модификации различных характеристик файлов, каталогов, томов, зависящих от конкретной реализации СУФ.

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

• информация о разрешенном доступе;

• пароль для доступа к файлу;

• владелец файла;

• создатель файла;

• признак "только для чтения";

• признак "скрытый файл";

• признак "системный файл";

• признак "архивный файл";

• признак "двоичный/символьный";

• признак "временный" (удалить после завершения процесса);

• признак блокировки;

• длина записи;

• указатель на ключевое поле в записи;

• длина ключа;

• время создания, последнего доступа и последнего изменения;

• текущий размер файла;

• максимальный размер файла.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы так же, как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и на байт-ориентированные.

Для пользователей файл обозначается с помощью идентификаторов - внешних имен (могут быть и внутренние имена файлов). Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять короткие эквивалентные имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации коротких эквивалентных имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Для решения проблем поиска и размещения файлов в СУФ используются иерархические, многоуровневые каталоги файлов, двухуровневые имена файлов и средства фильтрации.

Простой одноуровневый каталог представляет собой оглавление тома (используется в однопользовательских ОС - рис.11.1)

Рис.11.1. Простой одноуровневый каталог.

Иерархический, многоуровневый каталог (древовидный или сетевой) - это совокупность каталогов и дескрипторов файлов различной глубины (рис.11.2).

Рис.11.2. Иерархический многоуровневый каталог

Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Каждый каталог группирует по определенным принципам файлы пользователей, которые могут быть защищены паролем. Для упрощения работы имеется понятие текущего каталога, определяющего список доступных файлов и подкаталогов и позволяющего обращаться к файлам по собственным именам.

ОС обеспечивает определение нескольких текущих каталогов (путей доступа), которые в заданной последовательности просматривается при обращении к файлу по имени:

PATH C:\; C:\nc; D:\ альтернативные маршруты.

В процессе диалога ОС для группировки и удобства работы с файлами используются 2-х и 3-х компонентные идентификаторы:

[ <префикс>:] <имя файла> [ .суффикс/расщирение] .

Например, в MS-DOS C:\sys\forrmat.com.

Такие средства классификации упрощают автоматическую обработку файлов. Обычно программы работают со своими типами файлов, поэтому зачастую суффикс или расширение можно не указывать.

Средства фильтрации позволяют определять операции над целым классом файлов, посредством указания вместо имени файла специальных символов (* или !). Например, имя *.exe представляет все файлы т екущего подкаталога, имеющие расширение exe.

Важной характеристикой СУФ является обеспечение независимости программ от используемых ПУ и файлов. Для этого вводится понятие потока ввода/вывода как средства отсроченного установления связи программы с конкретными файлами и ПУ.

Поток ввода/вывода - это объект, который обладает всеми характеристиками устройства ввода/вывода, но не является реально существующим. Программа работает не с файлами, а потоками ввода/вывода.

В операционной системе MS-DOS, например, по умолчанию в качестве входного потока данных рассматривается клавиатура, а выходной поток направляется на дисплей. Для переопределения потоков ввода/вывода используются следующие символы:

< - для определения входного потока;

>- для определения выходного потока;

>> - для модификации (добавления) ранее определенного выходного потока.

Выполнение команды DIR>LPT приведет выводу содержимого текущего каталога на принтер.

Транспортировка потоков позволяет сцепить несколько программ по стандартному входу-выходу. По сути дела образуется буфер, позволяющий двум процессам связываться по схеме “производитель – потребитель”. Таким образом, выходные данные одной программы являются входными для другой программы, обеспечивая естественное взаимодействие.

Команда DIR|SORT выведет на дисплей отсортированный список файлов, полученный командой DIR.

Модуль 8. Управление данными

Тема 15. Способы доступа и организации файлов. Распределение файлов на диске

Способы доступа и организации файлов

Управление внешней памятью

Способы распределения памяти на диске

Способы доступа и организации файлов

С точки зрения внутренней структуры (логической организации) файл - это совокупность однотипных записей, каждая из которых информирует о свойствах одного объекта. Записи могут быть фиксированной длины, переменной длины или неопределенной длины. Записи переменной длины в своем составе содержат длину записи, а неопределенной длины – специальный символ конца записи.

При этом каждая запись может иметь идентификатор, представляющий собой ключ, который может быть сложным и состоять из нескольких полей.

Существует три способа доступа к данным, расположенным во внешней памяти:

1. Физически последовательный по порядку размещения записи в файле.

2. Логически последовательный в соответствии с упорядочением по значению ключей. Для выполнения упорядочения создается специальный индексный файл, в соответствии с которым записи представляются для обработки.

3. Прямой - непосредственно по ключу или физическому адресу записи.

Для организации доступа записи должны быть определенным образом расположены и взаимосвязаны во внешней памяти. Есть несколько способов логической организации памяти.

Последовательный

Записи располагаются в физическом порядке и обеспечивают доступ в физической последовательности. Таким образом, для обработки записи с номером N+1 необходимо последовательно обратиться к записям с номером 1, 2,….,N. Это универсальный способ организации файла периферийного устройства. Используется так же для организации входного/выходного потока.

Индексно-последовательный.

Записи располагаются в логической последовательности в соответствии со значением ключей записи. Физически записи располагаются в различных местах файла. Логическая последовательность файла фиксируется в специальной таблице индексов, в которой значение ключей связывается с физическим адресом записи. При такой организации доступ к записям осуществляется логически последовательно в порядке возрастания или убывания значения ключа или по значению ключа.

Индексный

Место записи в файле, ее физический адрес, определяется алгоритмом преобразования для ключа. Доступ к записям возможен только прямой. Алгоритм преобразования ключа называется хешированием. Ключ, использующий алгоритм хеширования, преобразуется в номер записи.

Прямой.

Это организация, при которой осуществляется прямой доступ по порядковому номеру записи или по физическому адресу.

Библиотечный

Организация, в которой файл состоит из последовательных подфайлов (разделов), первый из которых является оглавлением и содержит имена и адреса остальных подфайлов. При такой организации осуществляется комбинированныйдоступ: индексный прямой к разделу и последовательный в разделах.

Определить права доступа к файлу - значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

• создание файла;

• уничтожение файла;

• открытие файла;

• закрытие файла;

• чтение файла;

• запись в файл;

• дополнение файла;

• поиск в файле;

• получение атрибутов файла;

• установление новых значений атрибутов;

• переименование;

• выполнение файла;

• чтение каталога;

• и другие операции с файлами и каталогами.

В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции. В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных. Различают два основных подхода к определению прав доступа:

• избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;

• мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.

Управление внешней памятью

Физически том дисковой памяти - это отдельный носитель внешней памяти, представляющий собой совокупность блоков данных. Блок - это единица физической передачи данных (единица обмена данных с устройством). Запись - это единица ввода/вывода программы. Блок может содержать несколько логических записей, что минимизирует число операций ввода/вывода (рис.1).

Рисунок 1.  Коэффициент блокирования 7

Физически файл - это совокупность выделенных блоков памяти (область внешней памяти). Существует два вида организации накопителей на магнитном диске:

1.Трековый, в котором весь диск подразделяется на треки (дорожки) фиксированной длины, на которых размещаются блоки переменного размера. Адресом блока является тройка:

• номер цилиндра;

• номер трека;

• номер блока.

Единицей выделения памяти является трек или цилиндр. Цилиндр представляет собой область памяти, образованную всеми дорожками, доступными на магнитных поверхностях без перемещения магнитных головок.

2.Секторный, в котором диск разбивается на блоки фиксированного размера, обычно кратного 256 байтам. Адресом блока является его порядковый номер на носителе.

Работа с дисковой памятью включает в себя 4 основные процедуры: