Что такое файловая система. Основные типы

Файловая система — это что

Пользователь встречается с понятием «файловая система» (ФС, File System, FS), когда компьютер предлагает выбрать ее тип при форматировании носителей, инсталляции ОС, восстановлении данных. Что же это такое?

Компьютер записывает, хранит и обрабатывает сведения в виде файлов. ОС «видит» физический накопитель как комплекс кластеров (секторов). Размер отдельного сектора составляет от 512 байт. Драйверы ФС соединяют эти кластеры в файлы и папки, а также отслеживают свободные, используемые и неисправные секторы. Когда пользователь сохраняет объемный файл, то система делит его на фрагменты, чтобы каждая часть поместилась в отдельный кластер, который состоит из ячеек (размер одной ячейки — 1 байт).

Компьютер и смартфон читают практически каждую FS, кроме того, пользователь способен самостоятельно выбрать подходящую систему при осуществлении определенных действий. Проблемы могут возникнуть при использовании флешек в DVD-плеерах, телевизорах, магнитолах и т. д. В этих устройствах ФС задает производитель. Поэтому вопрос соответствия следует продумать заранее, перед покупкой или записью информации на накопитель.

Что делает файловая система

В процессе организации файлового пространства ФС делает следующее:

• Хранит сведения обо всех фрагментах, чтобы в момент запроса, сделанного пользователем либо ОС, снова объединить их в целый файл.
• Структурирует информацию на накопителе в определенном порядке. Все сведения хранятся в отведенных им местах под установленными именами и с присвоенными атрибутами. Если бы FS отсутствовала, то файлы содержались бы в одном общем массиве, и нельзя было бы определить, где их начало, а где конец. ОС не понимала бы, как открыть нужные данные.
• Присваивает файлам имена и параметры, нужные для корректного взаимодействия с компонентами ПК и ОС.
• Определяет порядок и условия хранения и чтения сведений, размер кластеров, формат сведений, максимально допустимую величину файла и раздела, размер имен файлов и набор атрибутов.
• Предоставляет прикладному ПО доступ к накопителю, причем софт не напрямую осуществляет действия над файлами, а посредством ФС, посылая соответствующие запросы. Система же ищет, создает, читает и удаляет сведения.
• Защищает файлы от случайных повреждений и несанкционированных изменений, обеспечивает совместную работу пользователей.

ОС и виды файловых систем

Самые популярные ОС («Виндовс», macOS и «Линукс») работают с различными видами ФС, которые обычно предустановлены и не нуждаются в дополнительных конфигурациях. В Windows на всех разделах диска используют NTFS, а на флешках — NTFS либо FAT32. На «Андроид» производитель устанавливает ext4 в памяти устройства и FAT32 на SD-картах. Пользователи Apple обычно даже не знают о разновидности применяемой файловой системы. А владельцы Linux должны быть хоть немного программистами, чтобы настроить определенный вид FS в своей ОС. Пользователи редко встречаются с необходимостью использования альтернативной файловой системы, но время от времени это происходит. Поэтому расскажем более подробно о разновидностях ФС.

Файловые системы Windows

FAT увидел свет в 80-х годах XX века, когда первый наемный сотрудник Microsoft Марк Макдональд создал исходный код по личной просьбе Билла Гейтса. Позже были выпущены версии FAT12, FAT16 и FAT32. Последняя сейчас очень популярна. По прошествии определенного времени выпустили еще две усовершенствованные системы NTFS и ReFS.

FAT

Классическая файловая система применяется для небольших носителей информации и несложного структурирования сведений. Числа, идущие после аббревиатуры FAT, означают число бит, отведенных для хранения кластера. Хотя FAT32 выступает в роли образца, постепенно распространяется самая новая вариация этой ФС — exFAT, или FAT64. Преимущество FAT32 в том, что ее возможно использовать не только в новых, но и устаревших моделях техники. Недостаток — система ограничивает размер сохраняемых файлов до 4 ГБ, а всего раздела — до 8 ТБ. Поэтому FAT32 обычно применяют в переносных USB-носителях данных.

Чтобы устранить недостатки FAT32, Microsoft обновила файловую систему до версии exFAT. Среди преимуществ — гораздо больший объем сохраняемого файла и снижение количества перезаписей кластеров. Последний момент крайне важен для твердотельных накопителей, т. к. после установленного числа операций записи ячейки памяти изнашиваются. Стандарт exFAT непосредственно работает с ОС Android, Windows, Mac. «Линуксу» же нужно дополнительное ПО.

NTFS

Версия призвана устранить выявленные недостатки FAT. Сегодня это — основная ФС для «Виндовс». Максимальный размер сохраняемого файла составляет 16 ГБ. Способ “прозрачного шифрования» разграничивает доступ к информации для разных пользователей и не дает последним воспользоваться содержимым без соответствующего разрешения. NTFS применяет расширенные имена файлов, поддерживая многоязычность. Стандартное приложение chkdsk проверяет носитель на ошибки ФС, чем увеличивает надежность работы накопителя, но уменьшает его производительность.

ReFS

Самый современный продукт «Майкрософт» для серверов «Виндовс» 8 и 10. Файловая система почти не знает отказов в работе благодаря оснащению новым функционалом:

• Copy-on-Write (CoW) — все метаданные подлежат изменению только после копирования.
• Запись информации происходит на свободное пространство накопителя, а не вместо ранее сохраненных файлов.
• Модифицируя метаданные, система сохраняет новую копию в пустых кластерах, а затем создает ссылку на нее из старых метаданных.

Эти средства позволяют более надежно хранить информацию, а также оперативно восстанавливать сведения.

Файловые системы macOS 

В своей продукции Apple использует особые файловые системы. Это HFS+ и ее усовершенствованная версия APFS. Файловую систему HFS+ применяют во всех «яблочных» продуктах. В некоторых серверных разработках используют ФС Apple Xsan.

Файловые системы Linux

В ОС Linux возможно использовать несколько файловых систем, причем каждая решает конкретные задачи. FS работают с файлами, хранят сведения в ОЗУ и предоставляют доступ к конфигурации ядра.

В дистрибутивах Linux обычно используют следующие FS:

• Ext — стандартная ФС. Поддерживает исчерпывающий объем функций и отличается высокой стабильностью благодаря тому, что код изменяется крайне редко. Версию ext4 на сегодняшний день применяют во всех дистрибутивах.
• JFS — альтернатива ext. Отличается высокостабильной работой и низким потреблением ресурсов (что важно для компьютеров с несколькими процессорами). Метаданные, хранящиеся в журналах, позволяют восстановить прежние версии данных после сбоев.
• ReiserFS — выпущена как альтернатива ext3 (только для «Линукс»). Упаковывает несколько маленьких файлов в отдельный блок. Данные не фрагментирует, чем оптимизирует действия с небольшим объемом информации. Уязвимое место — возможная утеря сведений при отключении электропитания.
• XFS быстро работает с громоздкими файлами, поддерживает накопители до 2 ТБ. Среди слабых мест — нельзя уменьшить размер файла, сложно восстановить потерянную информацию, которую можно потерять при отключении питания.
• Btrfs — стабильная и высокопроизводительная ФС. Ею легко управлять. По умолчанию применяется в SUSE Linux и OpenSUSE.

В «Линукс» возможно использовать и файловые системы, созданные для других ОС, но корневую ФС на них установить невозможно.

Пример использования файловых систем

В мобильных устройствах переносными носителями информации выступают твердотельные накопители microSD, изначально работающие в FAT32. Это не дает записать на них программы для дальнейшей инсталляции. Как исправить ситуацию? Создать на SD-карте раздел ext, куда можно переносить сведения из внутренней памяти вместе с атрибутами файлов. Это позволить любому софту функционировать так, будто его запустили из встроенной памяти устройства. «Виндовс» с этим не справится, т. к. не сможет сделать на флеш-карте более одного раздела. Обращаемся за помощью к «Линукс» (эту ОС возможно запустить виртуально). Также можно применить специальный софт, например, MiniTool Partition Wizard Free.

Или другой пример. SD-карты и флеш-накопители умирают достаточно часто. Причина — постоянная перезапись одних и тех же кластеров. Решение — переформатировать накопитель в NTFS. Эта достаточно «стрессоустойчивая» файловая система записывает маленькие файлы в основную таблицу, а копии и расширения — в различные секторы памяти.

Если правильно использовать функционал ФС, то можно решить многие проблемы, связанные с обработкой информации.

Файл слишком велик для конечной файловой системы на флешке — как исправить

Иногда, копируя данные на накопитель, пользователь видит на экране уведомление о том, что файл слишком велик для конечной файловой системы. Причина ошибки в том, что данные, копируемые на отформатированный в FAT32 носитель, занимают более 4 ГБ памяти (например, видео или образ ISO размером 5 ГБ). И, даже если флешка обладает 8 или 16 ГБ памяти (или больше), эта ФС ограничивает размер файла, поэтому и выдает сообщение о проблеме. Существует два способа решения ошибки: переформатировать флешку в иную файловую систему либо разложить файлы на более мелкие фрагменты, которые ФС позволит без проблем записать в память. 

Заключение

Итак, файловая система определяет, в каком порядке и формате сохранять информацию на носителе, и контролирует данный процесс. Также она предоставляет приложениям доступ к структурированным сведениям. Краткое описание наиболее распространенных ФС поможет вам получше разобраться с возникающими проблемами и правильно настроить компьютерные устройства. 

Если появятся вопросы, специалисты компании «АйТи Спектр» дадут грамотную консультацию. Помогут настроить компьютерное оборудование для безотказной работы вашей организации.