Количество файлов на компьютере может быть большим. Отдельные системы хранят тысячи файлов, занимающие сотни гигабайтом диска. Эффективное управление этими данными подразумевает наличие в них четкой логической структуры. Все современные файловые системы поддерживают многоуровневое именование файлов за счет поддержания во внешней памяти дополнительных файлов со специальной структурой – каталогов (или директорий).
Каждый каталог содержит список каталогов и/или файлов, содержащихся в данном каталоге. Каталоги имеют один и тот же внутренний формат, где каждому файлу соответствует одна запись в файле директории.
Рис. 11.3 Директории. (а) Атрибуты внутри записи в директории. (б) Атрибуты в другой структуре
Когда система открывает файл, она ищет имя файла в директории. Затем извлекаются атрибуты и адреса блоков файла на диске или непосредственно из записи в директории или из структуры, на которую запись в директории указывает. Эта информация помещается в системную таблицу в главной памяти. Все последующие ссылки на этот файл используют эту информацию.
Число директорий зависит от системы. В ранних ОС имелась только одна корневая директория, затем появились директории для пользователей (по одной директории на пользователя). В современных ОС используется произвольная структура дерева директорий.
Таким образом, файлы на диске образуют иерархическую древовидную структуру (см. рис. 11.4).
Рис. 11.4 Древовидная структура файловой системы.
Существует несколько эквивалентных способов изображения дерева, структура перевернутого дерева, приведенного на рис.11.4, наиболее популярна. Верхнюю вершину называют корнем. Если элемент дерева не может иметь потомков, он называется терминальной вершиной или листом (в данном случае является файлом). Не листовые вершины – справочники или каталоги, содержат списки листовых и не листовых вершин. Путь от корня к файлу однозначно определяет файл.
Внутри одного каталога имена листовых файлов уникальны. Имена файлов, находящихся в разных каталогах могут совпадать. Для того чтобы однозначно определить файл по его имени (избежать коллизии имен) принято именовать файл полным именем (pathname), которое состоит из списка имен вложенных каталогов, по которому можно найти путь от корня к файлу, плюс имя файла в каталоге, непосредственно содержащем данный файл. Таким образом, имя включает цепочку имен - путь к файлу, например /usr/ast/mailbox. Это так называемое абсолютное имя. Такие имена уникальны. Компоненты пути разделяют символами ‘/’ (слеш) в Unix или обратными слешами в MS-DOS (в Multics – ‘>’).
Другой способ задания имени - относительный путь к файлу. Он использует концепцию рабочей или текущей директории, которая входит в состав окружения (environment) процесса, работающего с данным файлом. Например, в ОС Linux рабочая директория является частью структуры данных процесса. Тогда к файлам в такой директории можно ссылаться только по имени, при этом поиск файла будет осуществляться в рабочей директории. Это удобнее, но по существу то же самое, что и абсолютная форма.
Для получения доступа к файлу и локализации его блоков система должна выполнить навигацию по каталогам. Рассмотрим для примера путь /usr/linux/progr.c. Алгоритм одинаков для всех иерархических систем. Сначала в фиксированном месте на диске находится корневая директория. Затем находится компонент пути usr, т.е. в корневой директории ищется файл /usr. Исследуя этот файл, система понимает, что данный файл является каталогом, и блоки данных данного файла рассматривает как список файлов и ищет следующий компонент linux в нем. Из строки для linux находится файл, соответствующий компоненту usr/linux/. Затем также находится компонент progr.c, который затем открывается, заносится в таблицу открытых файлов и сохраняется в ней до закрытия файла.
Многие прикладные программы работают с файлами, находящимися в текущей директории, не указывая явным образом ее имени. Это дает возможность пользователю возможность произвольным образом именовать каталоги, содержащие различные программные пакеты. Для реализации этой возможности в большинстве ОС, поддерживающих иерархическую структуру директорий, используется обозначение '.' - для текущей директории и '..' - для родительской.
Операции над директориями
Так же, как и в случае файлов, система обязана обеспечить пользователя набором операций, необходимых для работы с директориями, реализованных через системные вызовы. Несмотря на то, что директории, это файлы, логика работы с ними отличается от логики работы с обычными файлами и определяется природой этих объектов, предназначенных поддерживать структуру файлового архива. Совокупность системных вызовов для управления директориями зависит от особенностей конкретной ОС. Рассмотрим в качестве примера некоторые системные вызовы ОС Unix.
- Create. Создание директории. Вновь созданная директория включает записи с именами '.' и '..', однако считается пустой.
- Delete. Удаление директории. Удалена может быть только пустая директория.
- Opendir. Открытие директории для последующего чтения. Например, чтобы перечислить файлы, входящие в директорию, процесс должен открыть директорию и считать имена всех файлов, которые она включает.
- Closedir. Закрытие директории после ее чтения для освобождения места во внутренних системных таблицах.
- Readdir. Данный системный вызов возвращает содержимое текущей записи в открытой директории. Вообще говоря, для этих целей может быть использован системный вызов Read, но в этом случае от программиста потребуется знание внутренней структуры директории. Readdir возвращает содержимое записи в стандартном формате, независимо от используемой структуры директорий.
- Rename. Имена директорий можно менять, также как и имена файлов.
- Link. Связывание - это техника, которая позволяет информации о файле появляться более чем в одной директории. Данный системный вызов связывает существующий файл с абсолютным именем директории, используя их в качестве параметров. При помощи вызова Link можно связать файл сразу с несколькими директориями.
- Unlink. Удаление записи о файле из директории. Если удаляемый файл присутствует только в одной директории, то он вообще удаляется из файловой системы, в противном случае система ограничивается только удалением специфицируемой записи.
Имеется также ряд других системных вызовов, например, связанных с защитой информации.
Защита файлов.
Информация в компьютерной системе должна быть защищена как от физического разрушения (reliability), так и от несанкционированного доступа (protection).
Здесь мы коснемся отдельных аспектов защиты, связанных с контролем доступа к файлам.
Контроль доступа к файлам
Наличие в системе многих пользователей предполагает организацию контролируемого доступа к файлам. Выполнение любой операции над файлом должно быть разрешено только в случае наличия у пользователя соответствующих привилегий. Обычно контролируются следующие операции: Read, Write, Execute, Append, Delete, List
Другие операции, например, копирование файлов или их переименование также могут контролироваться. Однако они чаще реализуются через перечисленные. Так, операцию копирования файлов можно представить как операцию чтения и последующую операцию записи.
Списки прав доступа
Наиболее общий подход к защите файлов от несанкционированного использования - сделать доступ зависящим от идентификатора пользователя, то есть связать с каждым файлом или директорией список прав доступа (access control list), где перечислены имена пользователей и типы разрешенных для них способов доступа к файлу. Любой запрос на выполнение операции сверяется с таким списком. Основная проблема реализации такого способа - список может быть длинным. Чтобы разрешить всем пользователям читать файл, необходимо всех их внести в список. У этой техники есть два нежелательных следствия:
· Конструирование такого списка может быть сложной задачей, особенно если мы не знаем заранее список пользователей системы.
· Запись в директории должна теперь иметь переменный размер (включать список потенциальных пользователей).
Для решения этих проблем создают классификации пользователей, например, в ОС Unix все пользователи разделены на три группы:
· Владелец (Owner).
· Группа (Group). Набор пользователей, разделяющих файл и нуждающихся в типовом способе доступа к нему.
· Остальные (Univers),
что позволяет реализовать конденсированную версию списка прав доступа. В рамках этой ограниченной классификации задаются только три поля (по одному для каждой группы) для каждой контролируемой операции. В итоге, в Unix операции чтения, записи и исполнения контролируются при помощи 9 бит (rwxrwxrwx).
