С точки зрения операционной системы, под файловой системой понимается внутренняя управляющая структура, заведующая хранением данных на физическом носителе, их поиском, извлечением и записью по запросам программ. Такие управляющие структуры в каждом семействе операционных систем строятся по схожим принципам. Так, DOS/Windows используют файловую систему FAT с вариантами FAT32 и VFAT. Файловые системы UNIX-подобных ОС разнообразнее, но тоже могут быть объединены в одно семейство. Linux умеет работать со множеством файловых систем, как с родными, и с еще большим их количеством обмениваться данными.

Типичным представителем файловых систем UNIX является «вторая расширенная файловая система» ext2fs, основная до недавнего времени файловая система Linux. С момента выхода ядра версии 2.4.16 она начала уступать место «файловой системы по умолчанию» полностью совместимой с ней системе ext3fs. Рекомендуется использовать именно ext3fs, и именно она устанавливается по умолчанию инсталляторами большинства современных дистрибутивов.

Рассмотрим логическую структуру файловой системы ext2fs.

Физически жесткий диск разбит на сектора размером 512 байт. Первый сектор дискового раздела в любой файловой системе считается загрузочной областью. В первичном разделе эта область содержит загрузочную запись — фрагмент кода, который инициирует процесс загрузки операционной системы при запуске. На других разделах эта область не используется. Остальные сектора объединены в логические блоки размером 1, 2 или 4 килобайта. Логический блок есть наименьшая адресуемая порция данных: данные каждого файла занимают целое число блоков. Блоки, в свою очередь, объединяются в группы блоков. Группы блоков и блоки внутри группы нумеруются последовательно, начиная с 1.

Раздел диска, на котором сформирована файловая система ext2fs, может быть представлен такой схемой:

Структуры данных, применяемые при работе с файловой системой ext2fs, описаны в заголовочном файле

Суперблок служит начальной точкой файловой системы и хранит всю информацию о ней. Он имеет размер 1024 байта и располагается по смещению 1024 байта от начала файловой системы. В каждой группе блоков он дублируется, что позволяет быстро восстановить его после сбоев.

В суперблоке определяется размер файловой системы, максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства и содержится информация о том, где искать незанятые участки. При запуске ОС суперблок считывается в память и все изменения файловой системы вначале находят отображение в копии суперблока, находящейся в ОП, и записываются на диск только периодически. Это позволяет повысить производительность системы, так как многие пользователи и процессы постоянно обновляют файлы. С другой стороны, при останове системы суперблок обязательно должен быть записан на диск, что не позволяет выключать компьютер простым выключением питания. В противном случае, при следующей загрузке информация, записанная в суперблоке, окажется не соответствующей реальному состоянию файловой системы.

Рис. 2.1. Структура файловой системы

После суперблока следует описание (дескриптор) группы блоков. Хранящаяся в нем информация позволяет найти битовые карты блоков и индексных дескрипторов, а также таблицу индексных дескрипторов.

Битовой картой блоков (block bitmap) называется структура, каждый бит которой показывает, отведен ли такой же по счету блок какому-либо файлу. Значение 1 показывает, что блок занят. Эта карта служит для поиска свободных блоков в тех случаях, когда надо выделить место под файл.

Битовая карта индексных дескрипторов выполняет аналогичную функцию по отношению к таблице индексных дескрипторов: показывает, какие именно дескрипторы заняты.

Каждому файлу соответствует один и только один индексный дескриптор (inode, i-узел, информационный узел), который идентифицируется своим порядковым номером — индексом файла. В индексном дескрипторе хранятся метаданные файла. Среди них — все атрибуты файла, кроме его имени, и указатель на данные файла.

Для обычного файла или каталога этот указатель представляет собой массив из 15 адресов блоков. Первые 12 адресов в этом массиве являются прямыми ссылками на номера блоков, в которых хранятся данные файла. Если данные не помещаются в 12 блоков, то включается механизм косвенной адресации. Следующий адрес в этом массиве является косвенной ссылкой, то есть адресом блока, в котором хранится список адресов следующих блоков с данными из этого файла.

Сколько блоков с данными можно так адресовать? Адрес блока занимает 4 байта, блок, как уже сказано, — 1, 2 или 4 килобайта. Значит, путем косвенной адресации можно разместить 256 — 1024 блока. Размер файла, занимающего столько блоков, считайте сами.

А если файл еще длиннее? Следующий адрес в массиве-указателе указывает на блок двойной косвенной адресации (double indirect block). Этот блок содержит список адресов блоков, которые, в свою очередь, содержат списки адресов следующих блоков данных.