Тайны и секреты компьютера - Антон Орлов

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.

Сохраните лишний раз в процессе работы какой-нибудь Word'овый, скажем, файл на жесткий диск, и вы заметите, как диск «хрюкнет» — то есть произойдет перемещение головок взад-вперед по диску. Причем шумовой эффект не будет зависеть от фрагментированности диска — даже на абсолютно чистом диске с единственным редактируемым файлом шум все же появится. Это так, потому что для записи файла головки жесткого диска будут перемещаться между областью FAT-таблицы, которая располагается в начале диска, и собственно записываемыми данными на диске.

Каталоги

Как уже было сказано, в FAT-таблице располагается информация только о размещении файлов в кластерах. Ну а где же хранятся имена файлов, их даты создания, атрибуты? И где находится информация о первом кластере каждого файла? Если в FAT информации о них нет, то где же она?

А хранится она в каталогах.

Каталог — это попросту файл, почти такой же, как и все остальные, занимающий место на диске, только содержащий данные о других файлах (и каталогах), которые в нем находятся.

В файле каталога записана информация о находящихся в нем файлах (и вложенных других каталогах): их имена, обьем, даты изменения и создания, атрибуты, а также указывается номер самого первого кластера, занимаемого каждым файлом (и файлом-каталогом!). Каждая запись о файле называется дескриптором файла, запомните это слово — оно еще пригодится вам при чтении программистской литературы. Кроме того, во всех файлах каталогов, кроме корневого, имеется ссылка на первый кластер «родительского» каталога — то есть того каталога, который содержит этот самый каталог.

В файлах каталогов, созданных в Windows95 и более старших версиях этой операционной системы, в каждом дескрипторе хранится как длинное имя файла, так и короткое — вида progra~1.exe, которое находится в том же месте дескриптора, что и в каталогах, созданных в MS-DOS. Таким образом обеспечивается возможность работы с созданными в Windows каталогами в старых операционных системах — эти системы смотрят в файл каталога и считывают оттуда лишь короткие имена файлов, а системы Windows умеют считывать из дескрипторов еще и длинные имена. Естественно, что при копировании или перемещении средствами MS-DOS файлов, созданных в Windows, длинные имена теряются, так как в этом случае операционная система MS-DOS копирует данные о файлах из одного файла каталога в другой, а так как она не умеет читать ту часть дескрипторов этих файлов, в которой записаны их длинные имена, то она их и игнорирует.

Файл корневого каталога диска физически всегда расположен в одном и том же месте на диске — сразу после таблицы FAT, присутствующей на диске в виде двух копий, идущих друг за другом — для повышения надежности.

Так как каталог — это обычный файл, то пустой каталог все равно будет занимать место на диске. К примеру, создайте на пустой дискете пустую папку и посмотрите обьем дискеты. На ней будет занято 512 байт (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Пустая папка тоже занимает место.

Это и есть обьем файла, являющегося этим каталогом. Или, если у вас установлен пакет программ Norton Utilities для Windows, посмотрите на отчет программы Norton Speed Disk (рис. 8.4), — в нем показывается покластерная структура жесткого диска и указываются, какие файлы расположены в каждом кластере. В отчете вы увидите, что некоторые кластеры содержат файлы с именами каталогов — то есть файлы самих этих каталогов.

Рис. 8.4. Если хотите убедиться, что каталог реально из себя представляет файл с информацией об именах и физическим размещении других файлов на диске, посмотрите отчет программы Norton SpeedDisk. Она показывает, какие файлы записаны в том или ином кластере. Вы обязательно найдете записи вроде тех, что здесь — а это названия папок, не обычных файлов!

Кэширование

Операционная система, желая считать что-нибудь из какого-либо каталога, читает файл этого каталога, смотрит, в каком кластере записан первый фрагмент этого файла, а затем идет в FAT и смотрит, в каких кластерах записаны остальные его фрагменты (как бы «проходя» по всей цепочке ссылок в FAT на остальные кластеры файла). После этого, когда у операционной системы тем самым появляется информация обо всех кластерах, в которых записан данный файл, и об их последовательности, файл собственно читается с диска.

Но сам файл каталога тоже еще нужно считать. Для этого, вообще говоря, всегда должен быть выполнен весьма сложный алгоритм: считать файл корневого каталога диска, располагающийся всегда в одном и том же известном месте — сразу после FAT, найти в нем информацию о первом кластере того каталога, в котором содержится файл, который в конце концов должен быть считан, перейти к записи FAT, соответствующей найденному номеру первого кластера этого каталога, узнать из FAT, в каких кластерах содержится файл каталога, считать его, а потом повторить этот алгоритм сначала, до тех пор, пока не доберешься до каталога, непосредственно содержащего файл… Ясно, что весь этот процесс — «поход» в корневой каталог и затем по дереву каталогов, постоянное обращение то к файлам-каталогам, то к FAT, а лишь затем считывание самого файла — занимает немало времени. Поэтому операционные системы используют специальные методики для упрощения и ускорения работы с файлами. Самая простая и распространенная — это кэширование, то есть помещение часто используемых данных в оперативную память. Так, всегда кэшируется FAT, а также информация о структуре каталогов и располагающихся в них файлах. В операционных системах Windows95/98 задать количество кэшируемого материала можно в окне "Файловая система" вкладки «Быстродействие» пункта «Система» Панели управления (рис. 8.5).