Файловая система

Файловая система — это способ хранить и организовывать информацию на каком-нибудь носителе. От файловой системы зависит, как файлы будут кодироваться, храниться на диске и читаться компьютером. У каждой операционной системы свой тип организации файлов, то есть своя файловая система.

Без файловой системы (ФС) не сможет работать ни один компьютер: благодаря ей файлы могут храниться на устройстве, их можно читать и сохранять. Файловая система есть на каждом жестком диске, SSD-накопителе или флешке.

Что такое файловая система и зачем она нужна

Файл — это блок информации, записанный на накопитель. Не всегда эта информация записана последовательно, иногда физически части одного и того же файла могут находиться в разных секторах жесткого диска. Чтобы знать, что где хранится, у системы есть файловая таблица: там приведена информация обо всех файлах.

Файловая система определяет, как организовать эту таблицу. Способы разные в зависимости от ОС, поэтому у разных операционных систем различаются и файловые системы.

Вот что еще делает файловая система:

• определяет, какого размера будут кластеры — блоки информации, на которые делится файл;
• соединяет «кусочки» информации из разных кластеров в единые файлы;
• обеспечивает прикладным программам доступ к файлам;
• отслеживает, какие ячейки памяти сейчас свободны, заняты или недоступны;
• оптимизирует чтение и запись файлов, сжимает и кэширует;
• следит за целостностью и защищенностью файлов, создает точки восстановления;
• хранит информацию о файлах, в том числе название, размер и дату создания.

Иными словами, без файловой системы не получилось бы работать с файлами. Она управляет хранилищем и делает разрозненную информацию в нем понятной для операционной системы и прикладного ПО.

Что такое кластеры и что они означают

Файловая система определяет, как будут организованы кластеры в памяти устройства. Расскажем, что это такое: так легче понять, что именно делает ФС.

Для человека файл — единая конструкция. Но для компьютера все иначе. Он хранит информацию в виде множества маленьких наборов данных, то есть кластеров. Когда файл записывается на диск, он разделяется на несколько частей по размеру этих кластеров и хранится в таком виде. Например, если размер кластера — 4 Кб, а файл весит 10 Кб, он займет три кластера. В третьем будет храниться только 2 Кб, но даже такие кластеры считаются занятыми полностью.

Обычно кластер весит несколько байт, а сколько конкретно — зависит от размера диска и от настроек. Когда человек настраивает файловую систему, он может выбрать и размер кластера:

• если кластер сделать меньше рекомендованного, на накопитель поместится больше файлов. Ведь тогда не будет ситуаций, когда кластер фактически заполнен лишь частично — все пространство окажется задействовано;
• если увеличить размер кластера, доступ к файлам будет быстрее. Файлы будут делиться на меньшее количество частей. Компьютеру придется обращаться к меньшему количеству кластеров — это увеличит скорость.

Файловая система управляет кластерами, тем, как они будут записываться и храниться, как между ними будут организованы связи. Она же разделяет и распределяет файлы по кластерам, управляет записью и чтением.

Какие бывают файловые системы

Файловых систем существуют десятки. Некоторые используются очень широко, другие встречаются только в специализированной технике. Мы рассмотрим несколько самых популярных, тех, с которыми можно встретиться при работе с обычными компьютерами.

FAT (File Allocation Table). Самый популярный вариант этой файловой системы — FAT32. Она довольно старая, сегодняшняя версия появилась еще в 90-х. Тогда еще не было таких больших файлов и накопителей, как сейчас, и это отразилось на ее особенностях:

• максимальный размер файла в файловой системе FAT32 — 4 Гб. Более крупные файлы вроде длинных видеозаписей записать в нее не получится;
• система быстро работает с большими файлами, но медленнее справляется со множеством маленьких;
• изнутри структура системы представляет собой иерархическую таблицу с данными. Есть три раздела — служебный для системных файлов, таблица указателей для поиска данных и собственно пространство для данных;
• в FAT32 нет современных механизмов шифрования и защиты данных.

Для современных ОС FAT32 не подходит. При этом система быстрая, с ней удобно работать, ее распознают и читают почти все устройства. Поэтому сейчас ее применяют в основном для флешек и карт памяти.

exFAT (extended FAT). Это «расширенная FAT», которую придумала Microsoft для флешек и внешних жестких дисков. Система похожа на FAT, но усовершенствована, в ней можно хранить более крупные файлы. Еще в нее добавили кэширование и возможность управлять правами доступа. Но эта файловая система проприетарная и долгое время была закрытой — ей пользовались с опаской. Случилось даже несколько споров из-за авторских прав. А еще ее поддерживают не все операционные системы, например, с Linux могут возникнуть сложности.

NTFS и ReFS (New Technology File System, Resilient File System). Файловые системы от компании Microsoft, которые по умолчанию используются для операционных систем Windows. Под управлением NTFS работают практически все версии Windows, кроме самых новых, где применяется более современная ReFS. 

• В NTFS есть логирование, то есть сведения об операциях с файлами записываются в специальный лог.
• Система может работать с большими файлами, но имя файла должно быть не больше 255 символов.
• Изнутри ФС выглядит как бинарное дерево: древовидная структура данных облегчает поиск нужной информации.
• Есть шифрование данных, кэширование и система защиты целостности: любые операции с файлами либо идут до конца, либо полностью отменяются. То есть, если посреди записи файла вдруг выключится компьютер — «битой» информации не будет, запись просто отменится целиком. 

ReFS — это новая версия NTFS, которая раньше применялась в серверных версиях Windows. Сейчас ее поддержка есть в Windows 8.1 и в Windows 10. Она лучше справляется с восстановлением поврежденных файлов, поддерживает более длинные имена и выдерживают большую нагрузку. Но это не замена NTFS: ReFS не поддерживает несколько важных функций NTFS, например шифрование всего раздела или жесткие ссылки. Поэтому сейчас ее используют как вспомогательную.

EXT (Extended File System). Чаще всего говорят про EXT4 — четвертое поколение этого вида файловых систем. Но сейчас можно встретить несколько поколений, начиная с EXT2. В основном эти файловые системы используются в ОС Linux и мобильных системах Android. 

• EXT начиная с EXT3 — журналируемые системы, это значит, что все происходящие на накопителе изменения записываются в специальный журнал. Поэтому система считается довольно стабильной.
• Информация в EXT хранится в битовых картах, то есть последовательностях из битов. А содержимое папок представлено в виде древовидных структур и связных списков.
• В EXT4 добавили экстенты — новый способ записи информации в непрерывные области на диске. Этот способ повышает производительность и скорость.

Прочитать данные с EXT может почти любая современная ОС, но в качестве системной она обычно используется с Linux и Android. Кстати, именно из-за разных файловых систем на карты памяти для телефонов нельзя установить приложения. Ведь в системе — EXT4, а на карте памяти — FAT32.

HFS+, APFS (Hierarchical File System Plus, Apple File System). Это системы, которые используются в устройствах Apple с операционными системами macOS и iOS. HFS+ — иерархическая и более старая, APFS современнее и поддерживает больше возможностей: быстрее, надежнее, лучше защищает и шифрует файлы. В новых macOS и iOS используется именно она. Для серверных систем применяется еще и кластерная ФС Apple Xsan: она специально разработана для работы с сетями из нескольких устройств.

Другие. Существует много других файловых систем. Самый большой выбор тут у пользователей Linux, которым, кроме EXT, доступно еще минимум пять ФС:

• JFS — очень стабильная и надежная файловая система, которая потребляет минимум мощностей;
• XFS — быстро работает с крупными файлами и легко расширяет разделы, но более чувствительна к потере данных;
• ReiserFS — существует только для Linux, в ней удобно работать с данными, но можно потерять информацию при аварийном отключении;
• Btrfs — удобная в администрировании система для OpenSUSE и SUSE Linux.

А еще есть ZFS с объединенным хранилищем и снапшотами состояния файлов, изначально доступная только для операционных систем BSD и Solaris. Есть виртуальные и сетевые файловые системы — вариантов много, но это уже более узкоспециализированные решения.

Как изменить файловую систему

Форматирование. Чтобы изменить способ организации файлов, нужно отформатировать накопитель. Обычно это можно сделать через компьютер. Например, в Windows нужно открыть «Мой компьютер / Этот компьютер», выбрать нужный диск или флешку и в контекстном меню нажать на вариант «Форматировать».

Компьютер предложит выбрать, в какую файловую систему отформатировать накопитель, каким будет размер кластера и тип форматирования. Нужно указать интересующие варианты и запустить форматирование — сколько оно будет длиться, зависит от размера диска.

Важно: при форматировании все файлы на устройстве удаляются. Поэтому сначала нужно скопировать информацию с диска или флешки в надежное место. А еще не стоит форматировать изнутри системы диск, на котором эта система установлена.

Установка ОС. Если человек устанавливает на компьютер новую операционную систему, ему понадобится перекодировать файловую систему так, чтобы она подходила к ОС. Если систем на компьютере планируется несколько, для каждой нужно выделить свой раздел жесткого диска с соответствующей файловой системой. Это можно сделать при установке ОС или изнутри уже установленной операционной системы.

Например, у человека в компьютере установлен жесткий диск на 500 Гб. Диск один, а на компьютере стоит ОС Windows. Файловая система на этом диске — NTFS. Если человек хочет установить на компьютер еще и Linux, он должен выделить на диске отдельный раздел, отформатировать его под файловую систему EXT4, а потом установить в этом разделе Linux. Создать и отформатировать раздел можно из панели управления Windows или при установке новой операционной системы.

Какая файловая система лучше

У всех систем есть свои сильные и слабые места. Идеальной файловой системы нет, но есть те, которые лучше или хуже подходят для определенных ОС, целей и технологий. Например, FAT32 читают практически все ОС, но для системного диска она не подойдет из-за ограничения на размер файла.

А еще некоторые операционные системы по умолчанию работают с определенными файловыми системами. Если выбрать для них другую ФС, могут возникнуть ошибки или система попросту не установится. Так что иногда выбирать не приходится.

Если вы хотите узнать больше о том, как устроены компьютеры и операционные системы, можно записаться на курсы. Получите новый опыт и новую профессию в сфере IT.