Структура тома с файловой системой NTFS

Рассмотрим теперь структуру файловой системы NTFS. Наиболее полно она описана в книге [23]. Мы же здесь коснемся только основных моментов.

Одним из основных понятий, используемых при работе с NTFS, является поня­тие тома (volume)1. Возможно также создание отказоустойчивого тома, занимаю­щего несколько разделов, то есть использование RAID-технологии. Как и мно­гие другие системы, NTFS делит всё полезное дисковое пространство тома на кластеры – блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддержива­ет размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Всё дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части (рис.4.12). Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону – пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT2. Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) по возможности не фрагментировался при своем росте. Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Рис.4.12. Структура тома NTFS

MFT (master file table, общая таблица файлов) представляет собой централизо­ванный каталог всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера в 1 Кбайт1, и каждая запись соответ­ствует какому-либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов но­сят служебный характер и недоступны операционной системе – они называются метафайлами, причем самый первый метафайл – сам MFT. Эти первые 16 эле­ментов MFT – единственная часть диска, имеющая строго фиксированное поло­жение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надёжности, по­скольку они очень важны. Остальные части MFT-файла могут располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска – восстановить его по­ложение можно с помощью его самого, «зацепившись» за самую основу – за пер­вый элемент MFT.

Таблица 4.7. Метафайлы NTFS

Упомянутые первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер; каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно.

В табл. 4.7 приведены основные известные метафайлы и их назначение. Таким образом, можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию тома, посмотрев размер файла $MFT.

Итак, все файлы тома упоминаются в MFT. В этой структуре хранится вся ин­формация о файлах, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов и т. д. – всё это хранится в соответ­ствующей записи. Если для информации не хватает одной записи MFT, то ис­пользуется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд. Файлы могут иметь не очень большой размер. Тогда применяется довольно удачное ре­шение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области – все данные такого файла хранятся в одном месте, в MFT.

Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference), которая представляется как 64-разрядное число. Файловая ссылка состоит из номера файла, который соответствует позиции его файловой записи в MFT, и номера последовательности. Последний увеличивается всякий раз, когда данная позиция в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности.

Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть «потоки». Для правильного понимания потока достаточно указать, что один из потоков и носит привычный нам смысл – данные файла. Но большинство атрибутов файла – это тоже потоки. Таким об­разом, получается, что базовая сущность у файла только одна – номер в MFT, а всё остальное, включая и его потоки, – опционально. Данный подход может эффективно использоваться – например, файлу можно «прилепить» ещё один поток, записав в него любые данные. В Windows 2000 таким образом записана информация об авторе и содержании файла (одна из закладок в свойствах фай­ла, просматриваемых, например, из проводника). Интересно, что эти дополни­тельные потоки не видны стандартными средствами работы с файлами: наблю­даемый размер файла – это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длины, при сти­рании которого освободится 1 Гбайт свободного места – просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология «прилепила» к нему дополнитель­ный поток (альтернативные данные) такого большого размера. Но на самом деле в настоящее время потоки практически не используются, так что опасаться по­добных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны1. Просто необ­ходимо иметь в виду, что файл в NTFS – это более глубокое понятие, чем можно себе представить, просматривая каталоги диска.

Стандартные же атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксиро­ванные имена и коды типа, они перечислены в табл. 4.8.

Таблица 4.8. Атрибуты файлов в системе NTFS

Атрибуты файла в записях MFT расположены в порядке возрастания числовых значений кодов типа, причем некоторые типы атрибутов могут встречаться в за­писи более одного раза: например, если у файла есть несколько атрибутов данных или несколько имен. Обязательными для каждого файла в томе NTFS являются атрибут стандартной информации, атрибут имени файла, атрибут дескриптора защиты и атрибут данных. Остальные атрибуты могут встречаться при необхо­димости.

Имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS, может содер­жать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данное представлены в Unicode – 16-битном представлении, которое дает 65 535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS – 255 сим­волов.

Большой вклад в эффективность файловой системы вносит организация ката­лога. Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделён на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базо­вые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Главный каталог диска – корневой – ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из нача­ла метафайла MFT.

Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, подобно тому, как это организовано в HPFS. Кстати, при создании файловой системы NTFS разработчики решили использовать максимально возможное количество эффек­тивных решений из HPFS. К сожалению, не было взято на вооружение разбие­ние всего дискового пространства на зоны, в каждой из которых хранилась бы информация об имеющихся свободных кластерах. В результате отказа от этого подхода и введения механизма транзакций скорость работы файловой системы NTFS существенно ниже скорости работы системы HPFS.

Итак, как нам теперь известно, бинарное дерево каталога располагает имена фай­лов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Бинарное дерево способно дать ответ на вопрос: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя – выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему эле­менту, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Если предста­вить, что файлы отсортированы по алфавиту, то ответ на вопрос осуществляется очевидным способом – сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.

Заметим, что добавлять файл в каталог в виде дерева не намного труднее, чем в линейный каталог системы FAT. Это сопоставимые по времени операции. Для того чтобы добавить новый файл в каталог, нужно сначала убедиться, что файла с таким именем там ещё нет. Поэтому в системе FAT с линейной организацией записей каталога у нас появляются трудности не только с поиском файла. И это с лихвой компенсирует саму простоту добавления файла в каталог.