Операционные системы
Краткий очерк истории операционных систем. Классификация периферийных устройств и их архитектура. Характеристики файлов и архитектура файловых систем. Распределение памяти без использования виртуальных адресов. Драйверы устройств в Windows, UNIX.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.02.2011 |
| Размер файла | 418,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Байт атрибутов содержит набор битов, характеризующих свойства файла. Наряду с практически бесполезными атрибутами «скрытый», «системный» и «архивный», там содержатся и важные: «только для чтения», «каталог» и «метка тома». Атрибут «только для чтения» запрещает системе удалять файл или открывать его для записи. Атрибут «каталог» означает, что данная запись описывает не обычный файл, а каталог. Атрибут «метка тома» может содержаться только в корневом каталоге, такая запись не описывает никакой файл, а вместо этого содержит в полях имени и расширения 11-символьную метку (имя), присвоенную данному дисковому тому.
В целом, запись каталога содержит почти все, что системе известно о файле, а если размер файла не превышает одного кластера, то полностью все. Если же файл содержит более одного кластера, то номера остальных можно найти в таблице FAT.
Таблица FAT состоит из записей, количество которых равно количеству кластеров в области данных, а размер одной записи может быть равен 12, 16 или 32 битам. Соответственно говорят о разновидностях файловой системы FAT-12, FAT-16 или FAT-32. Размер записи должен быть таким, чтобы в ней можно было записать максимальный номер кластера. Например, для стандартной трехдюймовой дискеты емкостью 1.44 Мб достаточно использовать FAT-12, поскольку это позволяет иметь 212 = 4096 кластеров (на самом деле, чуть меньше), и даже при кластерах размером в 1 сектор (512 байт) этого более чем достаточно: 4096 512 = 2 Мб.
Записи FAT «по историческим причинам» нумеруются, начиная с 2 и кончая максимальным номером кластера, каждая запись FAT описывает соответствующий кластер с тем же номером. Запись может принимать следующие значения:
если кластер принадлежит некоторому файлу (или каталогу) и является последним (или единственным) в этом файле, то запись FAT содержит специальное значение - все единицы (FFF16 для FAT-12 или FFFF16 для FAT-16);
если кластер принадлежит некоторому файлу (или каталогу), но не является последним в файле, то запись FAT содержит номер следующего кластера того же файла;
если кластер свободен, то запись содержит все нули;
если кластер дефектный (т.е. при проверке диска выяснилось, что данный кластер содержит хотя бы один дефектный сектор), то запись содержит специальное значение FF716 для FAT-12 или FFF716 для FAT-16.
Теперь мы знаем, каким образом в системе FAT хранится информация о размещении сегментированного файла. Номер первого кластера файла хранится в записи каталога, а остальные кластеры можно последовательно определить по записям таблицы FAT.
В каждом каталоге, кроме корневого, первые две записи содержат специальные имена: имя «.» означает сам данный каталог, имя «..» - родительский каталог.
3.6.3. Создание и удаление файла
Чтобы завершить изучение структур данных системы FAT, рассмотрим, как изменяются эти структуры при операциях создания и удаления файла.
Когда ОС выполняет функцию создания файла с заданным именем в заданном каталоге, то она, прежде всего, находит данный каталог в дереве каталогов файловой системы. (Как она его находит - опустим для краткости. Попробуйте разобраться сами.) Прочитав каталог, система проверяет, нет ли в нем уже записи с заданным именем (т.е. нет ли уже такого файла). Если есть, то не установлен ли у этого файла атрибут «только для чтения»? Если установлен, то новый файл создан быть не может, предварительно надо снять атрибут. Если не установлен, то старый файл удаляется. Затем система находит в каталоге свободную запись. Если в каталоге нет свободного места, то он может быть увеличен еще на один кластер, этот факт отражается в таблице FAT. Наконец, найдя свободное место, система заполняет поля записи о новом файле: его имя и расширение, дату и время последнего изменения, атрибуты. Размер и номер первого кластера устанавливаются нулевыми, т.к. файл пока что не содержит данных.
В дальнейшем, при выполнении первой операции записи в файл, система найдет любой свободный кластер по таблице FAT, отметит его в FAT как последний кластер файла, заполнит номер первого кластера в каталожной записи, выполнит запись и занесет количество записанных байт в поле размера файла в каталоге.
При удалении файла прежде всего по каталожной записи проверяется, можно ли его удалить (не установлен ли атрибут «только для чтения»), а затем делаются две вещи:
первый байт имени удаляемого файла заменяется на специальный символ с кодом E516 (он отображается как русская буква «х»; вероятно, разработчики системы FAT считали, что этот код не может встретиться в имени файла);
все записи таблицы FAT, соответствующие кластерам удаляемого файла, заполняются нулями, т.е. кластеры объявляются свободными.
Как видно из описанной процедуры, в момент удаления файла его данные не стираются с диска, однако информация о размещении файла портится. Если размер файла превышал один кластер, то нет гарантии, что его удастся восстановить в случае нечаянного удаления, даже если пользователь спохватится сразу же.
3.6.4. Работа с файлами в MS-DOS
3.6.4.1.
3.6.4.2. Системные функции
Для работы с файлами и каталогами системы FAT в MS-DOS предусмотрен достаточно богатый набор функций. Все они вызываются с помощью команды программного прерывания int 21h, а конкретная функция определяется числом, занесенным в регистр AH. Эти функции позволяют, в частности:
создавать файл, указывая его полное имя;
удалять файл;
изменять атрибуты файла;
переименовывать файл или перемещать его в другой каталог того же диска Как вы думаете, в чем разница между перемещением файла в пределах одного диска и перемещением с диска на диск?;
искать в заданном каталоге все файлы, имена которых соответствуют заданному шаблону (например, шаблону «XYZ??.C*» соответствуют все файлы, имена которых начинаются с «XYZ» и содержат ровно 5 символов, а расширение начинается с буквы «C»);
создавать и удалять каталоги;
задавать текущий диск и текущий каталог;
открывать файл, получая доступ к его данным, и закрывать файл.
3.6.4.3. Доступ к данным
В MS-DOS существует два различных набора функций, позволяющих работать с данными файлов. Один из них, основанный на использовании блока управления файлом (FCB), вряд ли кем-то использовался в последние 20 лет, однако сохраняется из соображений совместимости с версией MS-DOS 1.0. Общепринятый метод работы с файлами основан на использовании хэндлов Придумано около десятка неудачных вариантов русского эквивалента для термина «handle», среди них - дескриптор, ссылка, логический номер, ключ, манипулятор, описатель, индекс... Выразительнее всего был бы прямой перевод - «рукоятка», но ни у кого не хватает смелости, чтобы ввести такой «несерьезный» термин. Так что давайте удовольствуемся честной транслитерацией «хэндл»..
Чтобы открыть существующий файл, следует вызвать соответствующую функцию, указав в качестве параметров имя файла и желаемый режим доступа (один из трех: только чтение, только запись, чтение и запись). В более поздних версиях MS-DOS появилась также возможность указывать режим разделения, как рассмотрено в п.3.5. Любой файл рассматривается как последовательность байт, а если программа предпочитает рассматривать файл как набор записей, то она должна сама вести пересчет номера записи в смещение (в байтах) от начала файла. Операции чтения и записи всегда выполняются от текущей позиции, которая называется указателем чтения/записи, и приводят к смещению указателя вперед на прочитанное или записанное количество байт. Возможность произвольного доступа к данным обеспечивается операциями перемещения указателя.
Хэндл - это некоторое число, которое система возвращает пользовательской программе при удачном выполнении операции открытия или создания файла. Значение этого числа не играет роли для программы. Важно лишь то, что при последующих обращениях к открытому файлу программа должна передавать этот хэндл системе как указатель на этот файл.
MS-DOS предоставляет вполне достаточный набор функций для работы с открытыми файлами. Сюда включаются функции чтения и записи произвольного числа байт, функция перемещения указателя в произвольную точку файла, функции установки и снятия блокировки фрагментов файла, принудительной очистки кэш-буферов файла (обычно очистка выполняется только при закрытии файла или при нехватке буферов, см. п.2.6.6; принудительная очистка гарантирует немедленное сохранение изменений на диске).
При вызове функции открытия файла можно вместо имени файла указать имя любого символьного устройства, например, «PRN:». При этом также возвращается хэндл, с которым можно выполнять операции записи так же, как если бы этот хэндл указывал на дисковый файл. Разумеется, нельзя открыть принтер для чтения, а также нельзя выполнять перемещение указателя назад.
При запуске любой программы она получает «в подарок» от MS-DOS пять уже открытых хэндлов с номерами от 0 до 4. Из них наиболее важными являются хэндл 0, который по определению указывает на стандартный ввод программы, и хэндл 1 - стандартный вывод. Хэндл 2 означает стандартное устройство для вывода сообщений об ошибках, хэндл 3 - стандартное устройство последовательного ввода/вывода (COM-порт), хэндл 4 - стандартный принтер.
Выше, в п. 2.2, давалось иное определение стандартного ввода и вывода, как устройств, используемых «по умолчанию». Здесь нет противоречия. Компиляторы языков программирования, встречая вызовы процедур ввода/вывода без указания файла, транслируют их в вызовы системных функций MS-DOS с хэндлами, соответственно, 0 или 1.
Если программа запускается из командной строки MS-DOS, то обычно хэндл 0 указывает на клавиатуру (точнее, на устройство CON:), а хэндл 1 - на экран монитора (тоже устройство CON:, но работающее на вывод). Однако пользователь может использовать символы перенаправления стандартного ввода (знак «<») и вывода (знаки «>» и «>>»). Например, программа, запущенная при помощи команды «MY_PROG <INFILE.TXT >PRN» будет использовать в качестве стандартного ввода файл INFILE.TXT, а стандартный вывод направит на принтер. Знак «>>» означает добавление данных в конец файла стандартного вывода, знак «>» - перезапись файла заново. Чтобы выполнить указанное пользователем перенаправление стандартного ввода или вывода, система открывает заданный файл или устройство (а при знаке «>>» еще и выполняет перемещение указателя в конец файла) и обеспечивает доступ к нему из запускаемой программы через стандартный хэндл 0 или 1. Таким образом, работающая программа вообще не знает, какие именно устройства или файлы являются ее стандартным вводом и выводом.
Перенаправление стандартного ввода и вывода может быть выполнено и программой пользователя. Обычно это делается перед тем, как данная программа запускает какую-либо другую программу, передавая ей перенаправленные стандартные хэндлы.
3.6.4.4. Структуры данных в памяти
Для обеспечения доступа к открытым файлам MS-DOS использует системные таблицы двух типов.
Таблица SFT (System File Table) содержит записи о всех файлах, в данный момент открытых программами пользователя и самой ОС. Эта таблица хранится в системной памяти, число записей в ней определяется параметром FILES в файле конфигурации CONFIG.SYS, но не может превышать 255.
Если один и тот же файл был открыт несколько раз (неважно, одной и той же программ ой или разными программами), то для него будет несколько записей в SFT.
Каждая запись содержит подробную информацию о файле, достаточную для выполнения операций с ним. В частности, в записи SFT содержатся:
копия каталожной информации о файле;
адрес каталожной записи (сектор и номер записи в секторе);
текущее положение указателя чтения/записи;
номер последнего записанного или прочитанного кластера файла;
адрес в памяти программы, открывшей файл;
режим доступа, заданный при открытии.
Кроме того, в записи SFT содержится значение счетчика ссылок на данную запись из всех таблиц JFT, речь о которых пойдет ниже. Когда этот счетчик становится равным нулю, запись SFT становится свободной, поскольку файл закрыт.
В отличие от единственной SFT, таблицы JFT (Job File Table) создаются для каждой запускаемой программы, поэтому одновременно может существовать несколько таких таблиц. (А откуда в однозадачной MS-DOS могут взяться одновременно несколько программ? Простейший ответ: когда одна программа запускает другую, то в памяти присутствуют обе. Подробнее см. п. 4.4.3.) Таблица JFT имеет простейшую структуру: она состоит из однобайтовых записей, причем значение каждой записи представляет собой индекс (номер записи) в таблице SFT. Неиспользуемые записи содержат значение FF16. Размер таблицы по умолчанию составляет 20 записей (байт), но может быть увеличен до 255.
Теперь о хэндлах. Прикладная программа использует хэндлы как некоторые условные номера открытых файлов, конкретное значение хэндла при этом не играет никакой роли (за понятным исключением стандартных хэндлов с 0 по 4). На самом же деле значение хэндла представляет собой не что иное, как индекс записи в таблице JFT данной программы. Первая запись таблицы соответствует хэндлу 0.
На рис. 3_3 показана связь между хэндлами, таблицами JFT, таблицей SFT и открытыми файлами/устройствами.
Рис. 3 _ 3
В примере, показанном на рисунке, стандартные хэндлы процесса A используются так, как это по умолчанию делает MS-DOS: хэндлы 0, 1 и 2 указывают на запись SFT, соответствующую консольному устройству CON, хэндл 3 - на запись об устройстве COM1, хэндл 4 -на запись о принтере. У процесса B стандартный вывод перенаправлен на принтер, что отражено в значении элемента 1 из JFT этого процесса. Хэндлы 3 и 4 для процесса B не показаны, чтобы не захламлять рисунок. Остальные показанные на рисунке элементы JFT обоих процессов указывают на записи SFT, описывающие открытые файлы на дисках.
Заметим, что с файлом PICTURE.BMP связаны две записи в таблице SFT. Это означает, что данный файл был открыт в каждом процессе отдельно (но, очевидно, с использованием одного из режимов разделения файла).
Когда программа вызывает какую-либо из системных функций и передает ей значение хэндла одного из открытых файлов, то система находит адрес таблицы JFT вызвавшей программы, читает указанную хэндлом запись этой таблицы, определяет соответствующий индекс в таблице SFT и получает таким образом доступ к информации, необходимой для выполнения операции с файлом.
В чем смысл такой двухступенчатой схемы? Не проще ли было, чтобы хэндл указывал непосредственно на запись SFT? Можно привести, по крайней мере, два очевидных аргумента в пользу применения JFT.
Что происходит с файлами при завершении программы, которая их открыла? Правила хорошего программистского тона требуют, чтобы программа перед окончанием работы закрыла за собой все файлы. Однако программист может и не выполнить это требование, или программа может завершиться аварийно. В любом случае ОС должна при завершении программы закрыть все ее файлы. Как ОС узнает, какие файлы следует закрыть? Ответ очень простой: достаточно просмотреть таблицу JFT завершаемой программы и найти там все записи, отличные от FF16.
Использование JFT дает возможность отделить логическое понятие стандартного устройства (в частности, стандартный ввод - хэндл 0 и стандартный вывод - хэндл 1) от конкретных устройств. Перенаправление стандартных устройств выполняется путем изменения значений соответствующих элементов JFT.
3.6.5. Новые версии системы FAT
Структуры данных файловой системы являются одной из наиболее консервативных, плохо поддающихся изменениям характеристик ОС. Проблема заключается в том, что при изменениях структур данных трудно сохранить совместимость с более ранними версиями. Было бы катастрофой, если бы все множество накопленных в мире файлов в системе FAT вдруг перестало читаться в новой версии системы. Тем не менее, некоторые интересные изменения все же удалось ввести при выпуске версий Windows 95 и 98.
В Windows 95 было преодолено досадное ограничение длины имени файла - знаменитое правило «8 + 3». Казалось бы, при размере записи каталога в 32 байта трудно надеяться на длинные имена файлов. Тем не менее, было найдено забавное решение этой проблемы.
Разработчики из Microsoft обратили внимание, что те записи каталога, в которых встречается бессмысленная комбинация битовых атрибутов «скрытый + системный + только чтение + метка тома», просто-напросто игнорируются как системными программами MS-DOS, так и распространенными утилитами других разработчиков. Это дало возможность использовать записи с такой комбинацией для хранения длинного имени файла. По-прежнему для каждого файла в каталоге имеется основная запись в обычном, старом формате, содержащая атрибуты файла, номер первого кластера и обязательное «короткое» имя. Однако если пользователь при создании файла указывает имя, не укладывающееся в стандарт «8 + 3» или содержащее строчные буквы, то перед основной записью будет вставлено нужное количество дополнительных записей с разбитым на кусочки «длинным именем» в кодировке UNICODE (по 2 байта на символ, что позволяет использовать любой известный алфавит). Длина имени, согласно документации, может достигать 255 символов (на самом деле, чуть меньше).
Начиная с Windows 98, появилась возможность использовать новую разновидность файловой системы - FAT-32. Ее отличие от FAT-12 и FAT-16 заключается не только в большей разрядности номера кластера (хотя и это очень важно для больших дисков), но и в том, что Microsoft наконец-то решилась использовать 10-байтовый резерв, который неизвестно для каких целей сохранялся незанятым в каждой записи каталога. Благодаря этому появилась возможность добавить к дате/времени последней модификации файла еще два временных штампа: дату/время создания (на самом деле, это дата/время последнего изменения каталожной записи) и дату последнего доступа к файлу.
3.7. Файловые системы и управление данными в UNIX
3.7.1. Архитектура файловой системы UNIX
Здесь рассматривается классическая файловая система UNIX, называемая иногда системой s5fs и поддерживаемая всеми версиями UNIX. Современные усовершенствования файловой системы будут рассмотрены в п. 3.7.4.
3.7.1.1. Жесткие и символические связи
Структуру каталогов файловой системы UNIX называют иногда сетевой, чтобы подчеркнуть ее отличие от строго иерархической (древесной) структуры каталогов таких систем, как, например, FAT. Отличие это заключается в понятиях жестких и символических связей файла.
Жесткая связь означает связь между именем файла и самим файлом. Особенность UNIX в том, что любой файл может иметь несколько (точнее, неограниченное количество) жестких связей, т.е. неограниченное количество имен. Это могут быть разные имена в одном каталоге или даже имена, хранящиеся в разных каталогах одного дискового тома.
Есть ли какая-нибудь польза от нескольких имен одного файла? Безусловно, есть. Предположим, пользователь часто использует какую-либо системную программу или файл данных, лежащий где-то глубоко в одной из ветвей дерева каталогов. Вместо того, чтобы каждый раз указывать длинный путь к нужному файлу, пользователь может просто создать новую жесткую связь, т.е. дать файлу удобное имя и поместить это имя в свой личный каталог. UNIX предоставляет для этого команду link, которая создает новое имя для указанного файла.
Что произойдет, если один из пользователей удалит имя файла из каталога? Произойдет только обрыв одной из жестких связей. Пока у данного файла остаются другие имена, файл продолжает существовать. Только после того, как удалены все имена файла, система понимает, что файл перестал быть доступен кому-либо, и удаляет сам файл.
Все жесткие связи (имена) одного файла абсолютно равноправны, среди них нельзя выделить какое-то «основное» имя.
Несколько иным образом работает символическая связь. Такая связь представляет собой файл, который содержит только полное имя другого файла. Важно при этом то, что файл помечен в системе именно как символическая связь, а не просто текстовый файл, случайно хранящий имя файла. Когда файл символической связи используется как аргумент системной команды или функции, UNIX автоматически подставляет вместо него тот файл, на который указывает связь.
Можно кратко сказать, что жесткая связь указывает на сам файл, а символическая - на имя файла. Оба типа связей проиллюстрированы на рис. 3 _ 4.
Рис. 3 _ 4
В примере на рисунке показан файл данных, для которого имеются три жесткие связи, т.е. три имени в каталогах системы, обозначенные как «Имя 1», «Имя 2» и «Имя 3». Кроме того, в системе имеется файл типа «символическая связь», который содержит одно из имен файла данных. Файл символической связи, как и любой другой файл, доступен по имени и в данном случае имеет два имени (две жестких связи): «Имя 4» и «Имя 5». Таким образом, использование любого из пяти имен в качестве, например, имени открываемого файла приведет к открытию одного и того же файла.
Предположим, администратор системы решил заменить некоторый файл его более свежей версией, оставив то же самое имя файла. Если некоторые пользователи хранили жесткие связи на прежнюю версию, то они так и будут ею пользоваться, пока явно не удалят ее имя и не создадут связи на новую версию. Если же пользователь хранил символическую связь, то она теперь будет указывать на новую версию.
В Windows используется некоторый аналог понятия символической связи - ярлык файла (shortcut). Отличие в том, что с точки зрения файловой системы Windows ярлык не является каким-то особым типом файла, это обычный текстовый файл с расширением LNK. Ярлык распознается не файловой системой, а такими программами, как Проводник (Explorer).
3.7.1.2. Монтируемые тома
В UNIX нет понятия «буква диска», подобно буквам A:, C: и т.д., используемым в MS-DOS и в Windows. В системе может быть несколько дисковых томов, но, прежде чем получить доступ к файловой системе любого диска, кроме основного, пользователь должен выполнить операцию монтирования диска. Она заключается в том, что данный диск отображается на какой-либо из каталогов основного тома. Как правило, для этого используются пустые подкаталоги каталога /mount или /mnt.
Если представить файловую систему на дисковом томе в виде дерева, то монтирование тома - это как бы «прививка» одного дерева к какому-либо месту на другом, основном дереве. В отличие от этого, MS-DOS и Windows допускают использование нескольких отдельных деревьев.
3.7.1.3. Типы и атрибуты файлов
Для каждого файла в UNIX хранится его тип, который при выдаче каталога обозначается одним из следующих символов
|
- - |
обычный файл, т.е. файл, содержащий данные; |
|
|
d - |
каталог; |
|
|
c - |
символьный специальный файл, т.е., на самом деле, символьное устройство; |
|
|
b - |
блочный специальный файл; |
|
|
l - |
символическая связь; |
|
|
p - |
именованный канал (будет рассмотрен в п. 4.6.3); |
|
|
s - |
сокет - объект, используемый для передачи данных по сети. |
Особенностью UNIX является то, что работа с разными типами объектов, перечисленными выше (файлами, устройствами, каналами, сокетами) организуется с использованием одного и того же набора функций файлового ввода/вывода.
К числу атрибутов, описывающих файл, относятся его размер в байтах, число жестких связей и три «временных штампа»: дата/время последнего доступа к файлу, последней модификации файла, последней модификации атрибутов файла. Эту последнюю величину часто называют неточно «датой создания файла».
Для специальных файлов вместо размера хранятся старший и младший номера устройства, см. п. 2.10.1.
Кроме того, для каждого файла хранятся атрибуты управления доступом, описанные в следующем пункте, а также информация о размещении файла на диске, описанная в п. 3.7.2.
3.7.1.4. Управление доступом
Для каждого файла (в том числе каталога, специального файла) определены такие понятия, как владелец (один из пользователей системы) и группа-владелец. Их числовые идентификаторы (называемые, соответственно, UID и GID) хранятся вместе с другими атрибутами файла. Полные имена, пароли и другие характеристики пользователей и групп хранятся в отдельном системном файле. Владельцем файла обычно является тот пользователь, который создал этот файл.
Кроме того, для файла задаются атрибуты защиты, хранящиеся в виде 9 бит, которые определяют допустимость трех основных видов доступа - на чтение, на запись и на исполнение - для владельца, для членов группы-владельца и для прочих пользователей.
При отображении каталога с помощью команды ls -l эти атрибуты показываются в виде 9 букв или прочерков, например
r w x r - x - - x
В приведенном примере показано, что сам владелец файла имеет все права (r - чтение, w - запись, x - исполнение), члены группы-владельца могут читать файл и запускать на исполнение (если этот файл содержит программу), всем прочим разрешено только исполнение.
Привилегированный пользователь (администратор системы) всегда имеет полный доступ ко всем файлам.
В том случае, если файл является каталогом, права доступа на чтение и на исполнение понимаются несколько иначе. Право на чтение каталога позволяет получить имена файлов, хранящиеся в данном каталоге. Право на исполнение каталога означает возможность читать атрибуты файлов каталога, использовать эти файлы, а также право сделать данный каталог текущим. Возможны интересные ситуации: если текущий пользователь не имеет права на чтение каталога, но имеет право на его «исполнение», то он не может узнать имена файлов, хранящихся в каталоге; однако, если он все же каким-то образом узнал имя одного из файлов, то может открыть этот файл или запустить на исполнение (если этому не препятствуют атрибуты доступа самого файла).
Чтобы удалить файл, не нужно иметь никаких прав доступа к самому файлу, но необходимо право на запись в соответствующий каталог (потому что удаление файла есть изменение не файла, а каталога). Впрочем, в современных версиях UNIX добавлен еще один битовый атрибут, при установке которого удаление разрешено только владельцу файла или пользователю, имеющему право записи в файл.
Изменение атрибутов защиты, а также смена владельца файла, могут быть выполнены только самим владельцем либо привилегированным пользователем.
Еще два битовых атрибута, имеющих отношение к защите данных, называются SUID и SGID. Они определяют, какие права (а точнее сказать, чьи идентификаторы владельца и группы) унаследует при запуске программа, хранящаяся в данном файле. Оба бита по умолчанию сброшены, при этом программа использует идентификаторы UID и GID того пользователя, который ее запустил. Программа как бы «действует от имени этого пользователя», и использует его права доступа к файлам. Если же для установлены атрибуты SUID и/или SGID, то запущенная программа будет использовать идентификаторы UID и/или GID своего владельца.
Для чего такие тонкости? Представим себе, что пользователь хочет сменить свой пароль. С одной стороны - нормальное желание, которое следует удовлетворить. С другой стороны, пароль данного пользователя хранится в одном файле с паролями других пользователей, и доступ к этому файлу должен быть, очевидно, закрыт для всех рядовых пользователей. Можно подобрать и другие примеры ситуаций, когда обычному пользователю необходим ограниченный доступ к данным, которые система должна защищать.
Решение, которое предлагает UNIX, заключается в следующем. Для работы с паролями имеется специальная программа, владельцем которой является администратор системы. Программа доступна для исполнения всем пользователям, но у нее установлен бит SUID. В результате этого запущенная программа работает от имени администратора, т.е. получает неограниченный доступ к файлам. Таким образом, ответственность за защиту системных данных перекладывается на работающую программу.
Следует отметить, что в UNIX нет особых средств защиты для периферийных устройств. Как было описано выше, устройства (а также именованные каналы и сокеты) считаются особыми типами файлов, поэтому для них определены те же атрибуты защиты, что и для файлов.
3.7.2. Структуры данных файловой системы UNIX
Дисковый том UNIX состоит из следующих основных областей, показанных (не в масштабе) на рис. 3 _ 5
Рис. 3 _ 5
блок начальной загрузки (BOOT-сектор); его структура определяется не UNIX, а архитектурой используемого компьютера;
суперблок - содержит основные сведения о дисковом томе в целом (размер логического блока и количество блоков, размеры основных областей, тип файловой системы, возможные режимы доступа), а также данные о свободном месте на диске;
массив индексных дескрипторов, каждый из которых содержит полные сведения об одном из файлов, хранящихся на диске (кроме имени этого файла);
область данных, состоящая из логических блоков (кластеров), которые используются для хранения файлов и каталогов (в UNIX используется сегментированное размещение файлов).
В отличие от системы FAT, где основные сведения о файле содержались в каталожной записи, UNIX использует более изощренную схему.
Запись каталога не содержит никаких данных о файле, кроме только имени файла и номера индексного дескриптора этого файла.
В ранних версиях UNIX каждая запись имела фиксированную длину 16 байт, из которых 14 использовались для имени и 2 для номера. В более современных версиях запись имеет переменный размер, что позволяет использовать длинные имена файлов.
Как и в системе FAT, в каждом каталоге первые две записи содержат специальные имена «..» (ссылка на родительский каталог) и «.» (ссылка на данный каталог).
Точнее, это в FAT сделано по примеру UNIX.
Нулевое значение номера соответствует удаленной записи каталога.
Все сведения о файле, кроме имени, содержатся в его индексном дескрипторе (inode). Такая схема делает возможными жесткие связи, описанные выше: любое количество записей из одного каталога или из разных каталогов может относиться к одному и тому же файлу. Для этого надо только, чтобы эти записи содержали один и тот же номер inode.
Индексные дескрипторы хранятся в массиве, занимающем отдельную область диска. Размер этого массива задается при форматировании, этот размер определяет максимальное количество файлов, которое можно разместить на данном томе.
Дескриптор содержит, прежде всего, счетчик жестких связей файла, т.е. число каталожных записей, ссылающихся на данный дескриптор. Этот счетчик изменяется при создании и удалении связей, его нулевое значение говорит о том, что файл перестал быть доступным и должен быть удален.
В дескрипторе содержатся тип и атрибуты файла, описанные выше. Наконец, здесь же содержатся данные о размещении файла, имеющие весьма оригинальную структуру (см. рис. 3 _ 6).
Рис. 3 _ 6
Размещение блоков файла задается массивом из 13 (в некоторых версиях 14) элементов, каждый из которых может содержать номер блока в области данных. Пусть, для определенности, блок равен 1 Кб, а его номер занимает 4 байта (обе эти величины зависят от версии файловой системы). Первые 10 элементов массива содержат номера первых 10 блоков от начала файла. Если размер файла превышает 10 Кб, то в ход идет 11-й элемент массива. Он содержит номер косвенного блока - такого блока в области данных, который содержит номера следующих 256 блоков файла. Таким образом, использование косвенного блока позволяет работать с файлами размером до 266 Кб, используя для этого один дополнительный блок. Если файл превышает 266 Кб, то в 12-ом элементе массива содержится номер вторичного косвенного блока, который содержит до 256 номеров косвенных блоков, каждый из которых… Ну, вы поняли. Наконец, для очень больших файлов будет задействован 13-й элемент массива, содержащий номер третичного косвенного блока, указывающего на 256 вторичных косвенных.
Подсчитайте, какой максимальный размер файла может быть достигнут при такой схеме адресации блоков.
Недостатком описанной схемы является то, что доступ к большим файлам требует значительно больше времени, чем к маленьким. Если расположение первых 10 Кб данных файла записано непосредственно в индексном дескрипторе, то для того, чтобы прочитать данные, отстоящие, скажем, на 50 Мб от начала файла, придется сперва прочитать третичный, вторичный и обычный косвенные блоки.
Еще один важный вопрос для любой файловой системы - способ хранения данных о свободном месте. Для UNIX следует различать два вида свободных мест - свободные блоки в области данных и свободные индексные дескрипторы, которые бывают нужны при создании новых файлов. Количество тех и других может быть очень большим. В суперблоке UNIX имеются массивы для хранения некоторого количества номеров свободных блоков и свободных дескрипторов. Если исчерпаны номера свободных дескрипторов в суперблоке, то UNIX просматривает массив дескрипторов, находит в нем свободные и выписывает их номера в суперблок.
Сложнее обстоит дело со свободными блоками данных. Первый элемент размещенного в суперблоке массива номеров свободных блоков указывает на блок в области данных, который содержит продолжение этого массива и, в первом элементе, указатель на следующий блок продолжения. Когда системе нужны блоки дисковой памяти, она берет их из основного массива в суперблоке, а при исчерпании массива читает его продолжение в суперблок. При освобождении блоков происходит обратный процесс: их номера записываются в массив, а при переполнении массива все его содержимое переписывается в один из свободных блоков, номер которого заносится в первый элемент массива как адрес продолжения списка.
На рис. 3 _ 7 показана структура списка свободных блоков.
Рис. 3 _ 7
Как нетрудно понять, из сказанного вытекает, что блоки диска распределяются «по стековому принципу»: блок, освобожденный последним, будет первым снова задействован.
3.7.3. Доступ к данным в UNIX
UNIX предоставляет в распоряжение прикладных программ набор системных вызовов, позволяющих выполнять основные операции с файлами и каталогами в целом (создание, удаление, поиск, изменение владельца и прав доступа), а также с данными, хранящимися в файлах (открытие и закрытие файла, чтение и запись данных, перемещение указателя в файле).
В основе работы с данными, как и для MS-DOS, лежит понятие хэндла открытого файла. Программа получает значение хэндла при открытии или создании файла, а затем использует хэндл для ссылки на открытый файл при обращении к функциям чтения, записи, перемещения указателя и т.п.
UNIX не имеет средств управления разделением доступа при открытии файла, т.е. всегда позволяет нескольким процессам открывать один и тот же файл. Для обеспечения корректной работы процессы могут использовать блокирование фрагментов файла. Можно установить блокировку для записи (эксклюзивную блокировку, см. п. 3.5) или для чтения (кооперативную блокировку). По умолчанию в UNIX используются рекомендательные блокировки. Это означает, что система не препятствует процессу обращаться к заблокированному фрагменту файла. Процесс должен сам запрашивать (если считает нужным), не заблокирован ли данный фрагмент. В более поздних версиях UNIX стало возможным и обязательное блокирование, при котором попытка обращения к заблокированному фрагменту приводит к ошибке.
Для реализации доступа к файлу по значению хэндла в UNIX используются таблицы, аналогичные таблицам JFT и SFT в MS-DOS (см. п. 3.6.4.3). Однако, в отличие от MS-DOS, запись SFT не содержит копии всех атрибутов файла. Вместо этого UNIX хранит в памяти отдельную таблицу копий индексных дескрипторов (inode) всех открытых файлов. Запись SFT содержит ссылку на запись таблицы индексных дескрипторов, а сверх того - те параметры, которых нет в inode: режим доступа к открытому файлу, положение указателя в файле, количество хэндлов, указывающих на данную запись SFT. Если один и тот же файл был открыт несколько раз, то создается несколько записей SFT, указывающих на один и тот же inode.
3.7.4. Развитие файловых систем UNIX
Описанная выше классическая файловая система UNIX является по-своему весьма стройной и мощной, способной удовлетворить разнообразные требования пользователей. В то же время эта система давно уже подвергалась критике за два существенных недостатка, определяемых выбором описанных выше структур данных. Эти недостатки следующие:
ненадежность;
низкая производительность.
Поговорим сначала о ненадежности. Можно назвать следующие опасные места в структуре файловой системы UNIX.
Широкое использование сцепленных списковых структур для хранения жизненно важной информации о размещении файлов и свободных блоков. Программистам известен основной недостаток сцепленных списков: при минимальном искажении хотя бы одного из указателей теряется, в лучшем случае, вся последующая часть списка. Возможна и потеря данных, не входящих в поврежденный список. Попробуйте представить себе, что произойдет на диске, если в качестве номера косвенного блока вследствие аппаратного сбоя будет записан номер ни в чем не повинного блока данных из совсем другого файла…
Интенсивное использование суперблока для хранения часто изменяющейся информации. Поскольку каждая операция записи связана с возможностью искажения данных, под угрозой оказываются жизненно важные параметры файловой системы, которые тоже хранятся в суперблоке, но не требуют частых изменений: размеры всей файловой системы и ее частей, размер блока и т.п.
Компактное размещение в начале дискового тома наиболее важных метаданных (суперблок, массив дескрипторов) приводит к тому, что при механическом повреждении начальных дорожек диска теряется возможность доступа ко всем данным на диске.
Давно известны и факторы, влияющие на снижение производительности работы:
использование косвенных блоков приводит к тому, что для поиска нужного места в большом файле могут потребоваться дополнительные операции чтения с диска.
используемые алгоритмы выделения и освобождения дисковых блоков по принципу «последним освободился - первым занят» способствуют фрагментации дискового пространства, а это, как нам известно, приводит к снижению скорости доступа.
Неудивительно, что в качестве замены системы s5fs были предложены различные более надежные и производительные файловые системы. К их числу относятся, например, система FFS, используемая в версии UNIX 4BSD, а также система ext2, поставляемая с Linux. Все эти системы поддерживают привычную архитектуру UNIX, включая структуру каталогов, жесткие и символические связи, типы файлов, набор атрибутов. Различия заключаются в реализующих эту архитектуру структурах дисковых данных и в алгоритмах работы с ними.
Постараемся дать общее представление о направлениях усовершенствования файловых систем UNIX, не вдаваясь в детали конкретных систем.
Дисковый том разбивается на несколько групп цилиндров. Каждая группа содержит копию общего суперблока, а также отдельный массив дескрипторов и блоки данных. В случае повреждения основного экземпляра суперблока его содержимое может быть восстановлено по сохранившейся копии. Повреждение метаданных в одной из групп цилиндров не ведет к потере информации в остальных группах.
Данные о количестве и местонахождении свободных блоков вынесены из суперблока и хранятся отдельно в каждой группе цилиндров.
Для хранения данных о свободных блоках используется не списковая структура, а битовая карта, в которой каждый блок из группы цилиндров помечается как свободный или занятый. Это уменьшает тяжесть последствий в случае повреждения данных.
Алгоритм размещения файлов старается по возможности размещать все файлы одного каталога, а также их дескрипторы, в пределах одной группы цилиндров. Напротив, подкаталоги по возможности не размещаются в той же группе цилиндров, что родительский каталог. Таким способом обычно удается уменьшить количество перемещений головок при работе программы с файлами.
Нужно отметить, что в современных версиях UNIX, как и в других современных ОС, поддерживается одновременное использование разных файловых систем на разных дисковых томах. Этой цели служит понятие виртуальной файловой системы (VFS). Она позволяет подключать к единому дереву каталогов файловые системы различных типов, в том числе такие чужеродные для UNIX, как FAT или NTFS. Для работы с файлами используется единый набор файловых функций, однако при их вызове, в зависимости от того, к какой файловой системе принадлежит данный файл, будут вызываться различные подпрограммы.
3.8. Файловая система NTFS и управление данными в Windows
3.8.1. Особенности файловой системы NTFS
Файловая система NTFS была разработана специально для использования в ОС Windows NT как замена для устаревшей системы FAT. NTFS является основной системой и для новых версий - Windows 2000/XP.
Система NTFS спроектирована как очень мощная многопользовательская файловая система с большим количеством возможностей. Тем не менее, как утверждают разработчики, NTFS обеспечивает более быстрый доступ к данным, чем предельно простая система FAT, если объем диска превышает 600 Мб.
Среди возможностей, отсутствующих в FAT, но реализованных в NTFS, можно назвать следующие.
Развитые средства защиты данных, предотвращающие возможность несанкционированного доступа к данным и при этом позволяющие весьма детально разграничить права доступа для различных пользователей и групп пользователей.
Быстрый поиск файлов в больших каталогах.
Обеспечение целостности данных в случае сбоев или отключения питания, основанное на механизме транзакций. Это означает, что любая операция с файлом рассматривается как неделимое действие (транзакция), которое должно быть либо выполнено до конца, либо не выполнено вовсе. В ходе операции система протоколирует в специальном журнале ход выполнения отдельных этапов транзакции: запись данных, внесение изменений в каталог и т.п. Если транзакция будет прервана на промежуточном этапе, то при следующей загрузке системы информация из журнала позволит «откатить» недовыполненную транзакцию, т.е. отменить выполненные этапы.
Возможность сжатия данных на уровне отдельных файлов (т.е. на одном дисковом томе могут храниться файлы как в сжатом, так и в несжатом формате).
Возможность хранения файлов в зашифрованном виде.
Механизм точек повторного анализа (reparse points), позволяющий для отдельных каталогов задать действия, которые должны выполняться всякий раз, когда система обращается к данному каталогу. В частности, этот механизм позволяет реализовать такие UNIX-подобные возможности, как символические связи и монтирование файловых систем.
Возможность протоколирования всех изменений, происходящих в файловой системе, таких как создание, изменение и удаление файлов и каталогов.
Расширяемость системы. Учтя трудный опыт, связанный с попытками модернизации FAT, разработчики NTFS заранее заложили в систему возможность добавления новых, не предусмотренных в настоящее время атрибутов файлов.
Некоторые возможности, заложенные в файловую систему NTFS, даже опережают развитие ОС Windows и пока не могут быть использованы в этой системе.
3.8.2. Структуры дисковых данных
Общую структуру хранения данных на диске в системе NTFS часто характеризуют двумя короткими фразами:
На диске нет ничего, кроме файлов.
В файле нет ничего, кроме атрибутов.
Поговорим подробнее об этих загадочных утверждениях.
3.8.2.1. Главная таблица файлов
Наиболее важной частью файловой системы на диске является главная таблица файлов (MFT, Master File Table). Эта таблица содержит записи обо всех файлах и каталогах, расположенных на данном томе. Размер записи составляет один кластер, но не менее 1 Кб. Если метаданные о файле не помещаются в одной записи, то могут быть использованы дополнительные записи (не обязательно соседние).
После форматирования дискового тома, когда на нем еще нет пользовательских файлов, MFT содержит 16 записей, из которых 11 содержат описания файлов метаданных, а 5 зарезервированы как дополнительные. Список файлов метаданных достаточно интересен.
Первая запись MFT описывает саму MFT, которая тоже считается файлом. Это отнюдь не формальность, поскольку MFT может, как и прочие файлы, состоять из нескольких сегментов, размещение которых задается в этой записи.
Копия первых 16 записей MFT, которая хранится как файл где-нибудь в середине диска. Это позволяет восстановить метаданные в случае повреждения основного экземпляра MFT.
Журнал протоколирования транзакций.
Файл информации о томе: имя тома, серийный номер, дата форматирования и т.п.
Файл с перечислением всех атрибутов, используемых для описания файлов на данном томе. Таким образом, список атрибутов не является жестко фиксированным и может быть расширен в последующих версиях NTFS.
Корневой каталог тома.
Битовая карта занятости кластеров тома.
BOOT-сектор. Он по-прежнему является первым сектором тома, но тоже считается файлом.
Файл, состоящий из всех дефектных кластеров на данном томе. Это дает основания пометить в битовой карте все дефектные кластеры как занятые.
Файл, содержащий все различные дескрипторы защиты, используемые для файлов и каталогов данного тома (см. п. 3.8.4.2).
Файл, задающий пары прописных / строчных букв для всех языков, поддерживаемых Windows. Такие данные необходимы, поскольку имена файлов могут содержать буквы обоих типов, но в Windows по традиции регистр букв в именах файлов не различается (в отличие, например, от UNIX).
Каталог, содержащий еще 4 файла метаданных, добавленных в Windows 2000. К ним относятся:
файл уникальных 16-байтовых идентификаторов, создаваемых Windows для каждого файла, на который имеется ярлык или OLE-связь; это позволяет автоматически исправить ярлык, если исходный файл был перемещен в другой каталог или даже на другой компьютер в пределах домена сети;
файл квот дискового пространства, выделяемых каждому пользователю;
файл точек повторного анализа, установленных для каталогов данного тома;
файл журнала изменений, происходящих на томе.
Далее, начиная с 17-й позиции MFT, хранятся записи метаданных о файлах и каталогах, размещенных на данном томе.
Система пытается сохранить MFT непрерывной, поскольку это ускоряет обращение ко всем описанным в ней файлам. Для этого система старается по возможности не занимать некоторую область в начале диска под размещение файлов, сохраняя свободное место для роста MFT.
операционный система файл драйвер память
3.8.2.2. Атрибуты файла
Каждая запись MFT содержит набор атрибутов, который может различаться для разных файлов и каталогов.
Атрибут в NTFS состоит из заголовка и значения, а заголовок, в свою очередь, содержит тип атрибута, его имя, длину и данные о размещении атрибута. Имя атрибута может отсутствовать, остальные поля обязательны. Заголовок атрибута всегда хранится в самой записи MFT, а значение - либо тоже в самой записи (при этом атрибут называется резидентным), либо в кластере области данных (нерезидентный атрибут). Некоторые типы атрибутов обязаны быть резидентными, для других типов выбор размещения зависит от наличия достаточного свободного места в записи MFT. Если атрибут нерезидентный, то в заголовке указываются сведения о размещении его значения на диске.
Рассмотрим наиболее важные типы атрибутов, используемых в записи о файле.
Имя файла. Этот атрибут всегда резидентен. Допускается несколько атрибутов этого типа, например, «длинное» имя (до 255 символов, включая буквы любого языка) и имя «8 + 3» для того же файла.
Стандартная информация. Это примерно та информация о файле, которая хранилась в записи каталога FAT: размер файла, временные штампы и битовые флаги.
Дескриптор защиты. Он служит для задания прав доступа к данному файлу для различных пользователей и групп, подробнее см. п. 3.8.4.2. В новых версиях NTFS запись MFT содержит не сам дескриптор, а ссылку на его место в системном файле. Так получается компактнее, поскольку обычно на диске имеется много файлов с одинаковыми дескрипторами защиты и лучше хранить каждый дескриптор один раз, в специально отведенном для этого файле метаданных.
Данные. Это самое неожиданное при первом знакомстве с NTFS: сами данные файла рассматриваются как один из типов атрибутов этого файла. Следующая неожиданность состоит в том, что атрибут данных небольшого файла может храниться резидентно в составе записи MFT. Напомним, что размер этой записи - от 1 Кб и больше, так что место для данных маленького файла может найтись. Безусловно, резидентное хранение данных позволяет ускорить доступ к ним, поскольку запись MFT так или иначе всегда читается при открытии файла.
Еще одна интересная особенность NTFS заключается в том, что один файл может иметь несколько атрибутов данных, определяющих несколько потоков данных (streams). Один из потоков безымянный, остальные должны иметь имена. Получается как бы целый каталог файлов внутри одного файла. Безусловно, для этой возможности можно придумать интересные применения, однако ни в одной версии Windows, включая XP, пока не предусмотрены API-функции, работающие с потоками данных.
Если запись MFT описывает не файл, а каталог, то вместо атрибута данных в ней содержится другой атрибут, содержащий либо весь каталог, либо его часть. Если каталог слишком велик, то другие его части хранятся в нерезидентных атрибутах еще одного типа. Здесь мы не будем рассматривать этот вопрос детально, однако следует отметить, что атрибуты, описывающие большой каталог, образуют структуру данных, известную как Б-дерево (B-tree). Эта структура позволяет ускорить поиск файла в каталоге.
Запись каталога содержит лишь имя файла, номер записи об этом файле в MFT и копию атрибута «стандартная информация». Эта копия позволяет отображать содержимое каталога без чтения записей MFT о каждом файле.
При сравнении структуры NTFS с ранее рассмотренной структурой s5fs можно найти некоторую аналогию между таблицей MFT и массивом индексных дескрипторов, содержащих всю информацию о файле в s5fs. При этом NTFS имеет значительно более сложную структуру и предоставляет много дополнительных возможностей.
3.8.3. Доступ к данным
Windows предоставляет прикладным программам API-функцию CreateFile, которая может использоваться как для создания нового файла, так и для открытия существующего. В любом случае эта функция создает в системной памяти объект типа «открытый файл», именно потому название функции начинается со слова «Create».
Подобные документы
Проектирование ОС Windows 2000, ее архитектура. Процессы и потоки. Уровни запросов на прерывания. Менеджер объектов. Распределение виртуальной памяти. Трансляция виртуальных адресов в физические. Локальный вызов процедуры. Структура сообщения LPC.
презентация [1,5 M], добавлен 24.01.2014Сущность и принцип работы операционной системы, правила и преимущества ее использования. Возможности различных операционных систем, их сильные и слабые стороны. Сравнительная характеристика систем Unix и Windows NT, их потенциал и выполняемые задачи.
реферат [10,5 K], добавлен 09.10.2009Три группы компонентов в составе современной операционной системы: ядро (планировщик и драйверы устройств), системные библиотеки, оболочка с утилитами. Типы архитектур ядер операционных систем: монолитное, модульное, гибридное, микро-, экзо-, наноядро.
курсовая работа [22,1 K], добавлен 27.05.2014Важность операционной системы для мобильных устройств. Популярность операционных систем. Доля LINUX на рынке операционных систем. История OS Symbian, BlackBerry OS, Palm OS. Отличия смартфона от обычного мобильного телефона. Учет ограничений по памяти.
презентация [477,3 K], добавлен 01.12.2015Назначение и функции операционных систем компьютера. Аппаратные и программные ресурсы ЭВМ. Пакетные ОС. Системы с разделением времени: Multics, Unix. Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом: Windows, Linux, Macintosh. ОС для мобильных устройств.
курсовая работа [53,4 K], добавлен 05.12.2014Характеристика, функции, типы, виды и состав операционных систем. Первая коммерческая система unix system. Операционные системы, основанные на графическом интерфейсе, пи–система, семейство unix. История и основные предпосылки появления ОС Windows.
курсовая работа [66,9 K], добавлен 18.01.2011Основные классификации операционных систем. Операционные системы семейства OS/2, UNIX, Linux и Windows. Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы. Пользовательский интерфейс и сетевые операции. Управление оперативной памятью.
реферат [22,8 K], добавлен 11.05.2011Разграничение прав пользователя в операционной системе. Предварительная настройка операционной системы с последующей установкой драйверов для периферийных устройств и системных комплектующих. Классификация операционных систем и периферийных устройств.
реферат [2,1 M], добавлен 26.10.2022Основные понятия об операционных системах. Виды современных операционных систем. История развития операционных систем семейства Windows. Характеристики операционных систем семейства Windows. Новые функциональные возможности операционной системы Windows 7.
курсовая работа [60,1 K], добавлен 18.02.2012Эволюция и классификация ОС. Сетевые операционные системы. Управление памятью. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем. Семейство операционных систем UNIX. Сетевые продукты фирмы Novell. Сетевые ОС компании Microsoft.
творческая работа [286,2 K], добавлен 07.11.2007
