Файловые системы Работа с файлами в Windows API

File System API Calls in Windows 2000 Principle Win32 API functions for file I/O Second column gives nearest UNIX equivalent

File System API Calls in Windows 2000 (3) Principle Win32 API functions for directory management Second column gives nearest UNIX equivalent, when one exists

Работа с томами Для выяснения того, какие логические диски существуют в системе, используется функция DWORD GetLogicalDrives( void ) Каждый установленный бит возвращаемого значения соответствует существующему в системе логическому устройству. Например, если в системе существуют диски A:, C: и D:, то возвращаемое функцией значение равно 13(10). Функция DWORD GetLogicalDrivesStrings( DWORD cchBuffer, LPTSTR lpszBuffer) заполняет lpszBuffer информацией о корневом каталоге каждого логического диска в системе. В приведенном выше примере буфер будет заполнен символами A:\ C:\ D:\ параметр cchBuffer определяет длину буфера. Функция возвращает реальную длину буфера, необходимую для размещения всей информации.

Работа с томами Для определения типа диска предназначена функция UINT GetDriveType( LPTSTR lpszRootPathName ) В качестве параметра ей передается символическое имя корневого каталога (напр. A:\), а возвращаемое значение может быть одно из следующих: ИдентификаторОписание 0Тип устройства определить нельзя 1Корневой каталог не существует DRIVE_REMOVABLEГибкий диск DRIVE_FIXEDЖесткий диск DRIVE_REMOTEСетевой диск DRIVE_CDROMКомпакт диск DRIVE_RAMDISKRAM диск

Работа с томами Для получения подробной информации о носителе используется функция GetVolumeInformation. Она заполняет параметры информацией об имени тома, названии файловой структуры, максимальной длине имени файла, дополнительных атрибутах тома, специфических для файловой структуры. Функция GetDiskFreeSpace сообщает информацию о размерах сектора и кластера и о наличии свободных кластеров.

Работа с каталогами и файлами ФункцияВыполняемое действие GetCurrentDirectory Получение текущего каталога SetCurrentDirectory Смена текущего каталога GetSystemDirectory Получение системного каталога GetWindowsDirectory Получение основного каталога системы CreateDirectory Создание каталога RemoveDirectory Удаление каталога CopyFile Копирование файла MoveFile MoveFileEx Перемещение или переименование файла DeleteFile Удаление файла

Синхронная работа с файлами HANDLE CreateFile ( LPCTSTR lpFileName, // pointer to name of the file DWORD dwDesiredAccess, // access (read-write) mode DWORD dwShareMode, // share mode LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // pointer to security // descriptor DWORD dwCreationDistribution,// how to create DWORD dwFlagsAndAttributes,// file attributes HANDLE hTemplateFile // handle to file with attributes to copy ); В случае удачи функция CreateFile возвращает описатель открытого файла как объекта ядра. Существенно, что в противном случае она возвращает не NULL, а INVALID_HANDLE_VALUE.

File System API Calls in Windows 2000 A program fragment for copying a file using the Windows 2000 API functions

Асинхронная работа с файлами BOOL ReadFile( HANDLE hFile, // handle of file to read LPVOID lpBuffer, // address of buffer that receives data DWORD nNumberOfBytesToRead,// number of bytes to read LPDWORD lpNumberOfBytesRead,// address of number of bytes read LPOVERLAPPED lpOverlapped // address of structure needed for // overlapped I/O ); BOOL WriteFile( HANDLE hFile, // handle to file to write to LPCVOID lpBuffer, // pointer to data to write to file DWORD nNumberOfBytesToWrite, // number of bytes to write LPDWORD lpNumberOfBytesRead,// pointer to number of bytes written LPOVERLAPPED lpOverlapped // address of structure needed for //overlapped I/O );

Асинхронная работа с файлами typedef struct _OVERLAPPED { DWORD Internal;//Используется операционной системой. //Хранит статус завершения операции. DWORD InternalHigh; //Используется ОС. Хранит //количество переданных байт. DWORD Offset; //Позиция в файле, начиная с которой //необходимо производить операцию //чтения (записи). DWORD OffsetHigh;//Количество байт для передачи. HANDLE hEvent; //Описатель события, которое произойдет //при завершении операции чтения //(записи). } OVERLAPPED;

Схема организации асинхронных чтения и записи Перед запуском операции создается объект ядра событие и его описатель передается в функцию ReadFile (WriteFile) в качестве элемента hEvent параметра lpOverlapped. Программа, выполнив необходимые действия одновременно с операцией передачи данных, вызывает одну из функций ожидания (напр. WaitForSingleObject), передавая ей в качестве параметра описатель события. Выполнение программы при этом приостанавливается до завершения операции ввода-вывода. Событие не создается. В качестве ожидаемого объекта выступает сам файл. Его описатель передается в функцию WaitForSingleObject. Этот метод прост и корректен, но не позволяет производить параллельно несколько операций ввода-вывода с одним и тем же файлом. Тревожный асинхронный ввод-вывод. Схема построена на использовании функций ReadFileEx и WriteFileEx. В качестве дополнительного параметра в эти функции передается адрес функции завершения, которая будет вызываться всякий раз при завершении операции ввода-вывода. Существенно, что эти функции выполняются в том же самом потоке что и функции файлового ввода/вывода. Это значит, что поток, запустивший операции чтения записи должен обратиться к функции ожидания, чтобы разрешить системе вызвать функцию завершения.

Файловые системы Файловые системы фирмы Microsoft

Магнитный диск Головки "бегают" по круговым дорожкам (Tracks), каждая дорожка разделена на сектора (Sectors). Дорожки, равноудаленные от центра диска и образующие цилиндрическую поверхность, называют цилиндрами (Cilinders). МД представляет собой один или несколько объединенных дисков (блинов), по поверхностям (Sides) которых перемещаются головки (Heads).

Строение жесткого диска Современный жесткий магнитный диск представляет собой набор круглых пластин, находящихся на одной оси и покрытых с одной или двух сторон специальным магнитным слоем Около каждой рабочей поверхности каждой пластины расположены магнитные головки для чтения и записи информации. Эти головки присоединены к специальному рычагу, который может перемещать весь блок головок над поверхностями пластин как единое целое. Поверхности пластин разделены на концентрические кольца, внутри которых, собственно, и может храниться информация. Набор концентрических колец на всех пластинах для одного положения головок (т. е. все кольца, равноудаленные от оси) образует цилиндр. Каждое кольцо внутри цилиндра получило название дорожки (по одной или две дорожки на каждую пластину). Все дорожки делятся на равное число секторов. Количество дорожек, цилиндров и секторов может варьироваться от одного жесткого диска к другому в достаточно широких пределах. Как правило, сектор является минимальным объемом информации, которая может быть прочитана с диска за один раз.

Строение жесткого диска

Кластеры В ОС фирмы Windows основной единицей хранения информации является кластер – группа смежных секторов. Число секторов в кластере всегда равно степени двойки. Увеличение размера кластера приводит к нерациональному использованию пространства МД для мелких файлов.

Фрагментация и дефрагментация Файл, который занимает на диске более одного непрерывного участка, называется фрагментированным. Фрагментация диска - это появление на диске множества свободных участков, разделенных занятыми участками. Дефрагментация диска - это перемещение данных на разделе, после которого, кластеры содержащие части одного файла, размещаются последовательно.

Фрагментация и дефрагментация Файловые системы фирмы Microsoft выделяют для записываемых на диск файлов некоторое количество кластеров, в зависимости от размера файла. В процессе работы с диском при записи и удалении файлов разного размера на диске появятся свободные и занятые области разной длины. Такой метод хранения файлов позволяет использовать всё имеющееся на диске свободное место, т.к. если длина записываемого файла больше, чем размеры непрерывных свободных участков, то файл просто расположится в нескольких несмежных участках. Реально время чтения сильно фрагментированного файла по сравнению с файлом, занимающим непрерывную область на диске, может отличаться в несколько раз! Внешне это выглядит так, как будто все программы стали работать в несколько раз медленнее, при этом наблюдается интенсивное перемещение головок диска от одного участка файла к другому.

Физические и логические диски Основные причины разбиения физического диска на несколько логических: ограничения файловых систем на максимальный размер физического диска; повышение надежности файловой системы; поддержка нескольких ОС.

Файловые системы Файловая система FAT для MS DOS

История FAT16 Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. Чтобы добиться переносимости программ из операционной системы CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была вначале предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мбайт и не предусматривала поддержки жестких дисков.

Структура FAT16 Первый сектор жёсткого диска (сектор 1, дорожка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record = MBR), которая загружается в память под управлением BIOS и выполняется. В конце первого сектора HDD находится таблица разделов диска (Partition table). Эта таблица содержит до четырёх элементов, описывающих разделы диска. Разделы могут трех типов: первичными (1), расширенными (1), не-DOS разделами (2-3). Основной раздел может содержать код загрузки операционной системы. Расширенный раздел может быть дополнительно разбит на подразделы. Каждому разделу и подразделу операционная система ставит в соответствие логический диск и назначает свое имя (C:, D:, E: и т.д.)

Таблица разделов логического диска Стартовый сектор Системный логический диск Логический диск … Первичный раздел DOS Расширенный раздел DOS Раздел не-DOS

Структура логического диска FAT Загрузочная запись (первый сектор диска) – служит для загрузки ОС и организация хранения данных. FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. Корневой каталог – для FAT записей о файлах и каталогах, расположенных в корне файловой системы. Загрузочная запись FAT FAT (копия) Корневой каталог Область файлов

Элемент каталога FAT16 Размер элемента каталога – 32 байта СодержаниеРазмер (байт) Имя файла8 Расширение3 Байт атрибутов1 Зарезервировано10 Время2 Дата2 Номер начального кластера 2 Размер файла4

Элемент каталога FAT16

Функции FAT Хранение информации о размещении файлов на диске Хранение информации о свободном месте на диске Хранение информации о сбойных кластерах на диске

Организация данных в FAT FAT представляет собой таблицу, связывающую кластеры дискового пространства с файлами. В этой базе для каждого кластера предусматривается только один элемент. Первые два элемента содержат информацию о самой системе FAT. Третий и последующие элементы ставятся в соответствие кластерам дискового пространства, начиная с первого кластера, отведенного для файлов. Элементы FAT могут содержать несколько специальных значений, указывающих, что кластер свободен, т.е. не использован ни одним файлом (для FAT16 это значение составляет 0000H); кластер содержит один или несколько секторов с физическими дефектами и не должен использоваться (дл FAT16 это значение составляет FFF7H); данный кластер - последний кластер файла (дл FAT16 это значение составляет FFF8 - FFFFH). Для любого используемого файлом, но не последнего кластера элемент FAT содержит номер следующего кластера, занятого файлом, из-за этого FAT называют файловой системой со связанным списком индексов.

Логическая организация данных На слайде представлена схема работы и организации FAT, а также фрагментация, когда части файла разбросаны по всему диску.

Размеры разделов и кластеров FAT16 для Windows Размер разделаРазмер кластера 0 – 32 Мб512 б 33 – 64 Мб1 Кб 65 – 128 Мб2 Кб 129 Мб – 256 Мб4 Кб 257 Мб – 512 Мб8 Кб 513 Мб – 1024 Мб16 Кб 1 Гб – 2 Гб32 Кб 2 Гб – 4 Гб (Win2000)64 Кб

Файловые системы Файловая система VFAT

ФС Virtual FAT появилась в первой версии Win95. Во второй версии Win95 пользователям была предложена уже FAT32. Virtual FAT поддерживала длинные имена файлов (LFN), но была 16-разрядной. Длинные имена (LFN) хранятся в специально отформатированных 32-байт записях, байт атрибутов у которых равен 0Fh. Поддерживает разделы до 4 Гб.

Long File Names FAT32 преодолела ограничение прежней системы наименования файлов "8.3". В VFAT имя файла может содержать до 255 символов. К счастью, FAT32 воспринимает файлы, которые уже существовали на диске, даже если эти файлы используются 16-битовыми приложениями, разработанными не для Windows 95. Для каждого имени файла VFAT создает псевдоним, соответствующий нотации "8.3". Например, у файла "Файл с длинным именем" будет псевдоним "файлсд~1.doc" в FAT. Более того, VFAT тома будут совместимы с DOS и Windows 3.1. Например, дискету, которую создали в Windows 95 и на которую записали несколько файлов с длинными именами, можно прочесть в DOS или Windows 3.1. Кроме того, в этой файловой системе может быть несколько расширений, разделяемых точкой. Однако тип файла определяется по последнему расширению, а остальные рассматриваются как имя файла. Длинные имена (LFN) хранятся в специально отформатированных 32-байт записях, байт атрибутов у которых равен 0Fh. Для конкретного файла или подкаталога непосредственно перед его единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла не более 13 символов, и ОС составляет полное длинное имя из всех записей. Длинные имена файлов хранятся на диске в указанном формате и размещаются в одном или нескольких 32-байт элементах каталога перед элементами каталога для коротких имен. Символы, составляющие имя файла, представлены в кодах Unicode, т. е. на каждый из них по 2 байта.

Элемент каталога VFAT

Пример длинного имени "The quick brown fox." THEQUI~1.FOX

Проблемы длинных имен На первый взгляд использованный в FAT32 механизм длинных имен файлов позволяет сохранить преемственность с прикладными программами прошлого поколения и выглядит идеальным. Однако этот метод далек от совершенства: Требуется больше дискового пространства Бóльшая фрагментация (на уровне каталогов)

Файловые системы Файловая система FAT32

FAT32 это развитие файловой системы FAT(VFAT, FAT16). 32-разрядная адресация кластеров – максимальное число адресуемых кластеров – Поддержка больших разделов (более 4Gb), кроме этого уменьшен размер кластера на разделе. Поддержка длинных имен до 255 символов, причем нет ограничений на число и размер расширения. Корневой каталог, раньше имевший фиксированный размер и строго определенное место на диске, теперь можно свободно наращивать по мере необходимости подобно подкаталогу. Теперь не существует ограничений на число записей в корневом каталоге. Это особенно важно, поскольку под каждое длинное имя файла используется несколько записей каталога. Имеет более высокую надежность: FAT32 способна перемещать корневой каталог, создает резервную копию загрузочного сектора и может работать с резервной копией FAT.

Зеркализация FAT Исторически сложилось так, что на всех FAT-дисках существуют 2 экземпляра таблицы FAT. Ecли при чтении исходного экземпляра возникает ошибка, файловая система пытается считать его резервную копию. На дисках с 12-и 16- разрядной FAT первая таблица FAT всегда является основной, и все изменения автоматически записываются в ее копию. Создание резервной копии второй таблицы FAT называется зеркализацией (mirroring). В FAT32 зеркализацию второй таблицы FAT можно отключить. Тогда операции чтения/записи ускоряются, а если первая FAT оказывается поврежденной, используется ее второй экземпляр (он становится основным). На FAT32- дисках таблица FAT может достигать огромных размеров, и отключение зеркализации способно заметно ускорить доступ к файлам.

Структура элемента каталога Чтобы обеспечить возможность работы с возросшим числом кластеров, в записи каталога для каждого файла должно выделяться 4 байт для начального кластера файла. 2 дополнительных байта (по сравнению с FAT16 и VFAT) выделяются среди зарезервированных 10 байт.

Сравнение FAT16 и FAT32 Самое принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. FAT32 использует дисковые кластеры меньшего размера по сравнению с предыдущими версиями, которые ограничивались кластерами на том (соответственно с увеличением размера диска приходилось увеличивать и размер кластеров). Следовательно, даже для дисков размером до 8 Гбайт FAT32 может использовать 4- килобайтные кластеры. В результате по сравнению с дисками FAT16 экономится в среднем 10-15% дискового пространства. FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных; это повышает устойчивость дисков FAT32 к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог в FAT32 представлен в виде обычной цепочки кластеров. Следовательно, корневой каталог может находиться в произвольном месте диска, что снимает действовавшее ранее ограничение на размер корневого каталога (512 элементов).

Сравнение FAT16 и FAT32 FAT 16 максимальный размер раздела – 2Гб (для Win2000 – 4Гб); при размере раздела > 512 Мб неэкономно расходует место на диске (из-за большого размера кластера); распознается большинством ОС, используемыми на ПК; позволяет уплотнять диск программой сжатия данных Drivespace; имеет корневой каталог фиксированного размера (512 записей). FAT 32 работает чуть медленнее, чем FAT16; разделы до 2Тб; большая эффективность использования места на диске; нельзя уплотнить с помощью программы сжатия данных; старые версии DOS и многие другие ОС не "видят" разделы с форматом FAT 32; корневой каталог является обычным расширяемым каталогом.