Программирование для Windows NT

Преимущества файловой системы NTFS

Прежде чем мы перечислим достоинства файловой системы NTFS, сделаем краткий обзор недостатков других файловых систем, созданных для различных операционныъх систем персональных компьютеров.

Операционная система MS-DOS и файловая система FAT

Все вы хорошо знаете недостатки файловой системы FAT, разработанной на заре развития операционной системы MS-DOS. Однако в те времена жесткие диски персональных компьютеров имели объем 10 - 40 Мбайт, и файловая система FAT в целом неплохо подходила для работы с такими дисками и дискетами.

Один из недостатков файловой системы FAT, наиболее очевидный для пользователей, заключается в жестких ограничениях на имена файлов и каталогов. Имя должно состоять не более чем из 8 символов, плюс еще три символа расширения имени. Так как расширение имени всегда используется для обозначения типа документа (например, txt - текстовый файл, doc - файл документа Microsoft Word), пользователь был вынужден изобретать восьмисимвольные имена, отражающие содержимое файла. Если пользователь работает с десятками или сотнями документов (что совсем не редкость), ему нужно иметь незаурядную фантазию, чтобы суметь придумать для всех документов осмысленные имена.

Другой, менее очевидный недостаток, заключается в том что информация о каждом файле хранится в нескольких удаленных друг от друга местах диска. Для того чтобы прочесть файл, операционная система должна сначала найти его имя и номер первого распределенного файлу кластера в каталоге, затем ей следует обратиться к таблице размещения файлов FAT, чтобы получить список кластеров, распределенных файлу, и, наконец, прочитать кластеры, которые находятся совсем в другом месте диска.

Если с диском работает только одна программа, накладные расходы на перемещения блока магнитных головок между этими областями диска, возможно, не приведут к заметному снижению производительности (особенно при использования кэширования диска). Однако в мультизадачной среде, когда несколько программ пытаются получить доступ одновременно к нескольким разным файлам, указанные накладные расходы будут заметнее.

У файловой системы FAT есть еще одна большая проблема - увеличение фрагментации диска и файлов при интенсивной работе с файлами. Фрагментация приводит к тому, что файл как бы размазывается по диску. Для чтения такого файла нужно много времени, так как перемещение головок выполняется относительно медленно. Поэтому пользователям операционной системы очень хорошо знакомы утилиты дефрагментации, такие как Microsoft Defrag XE "Microsoft Defrag" и Norton Speedisk XE "Norton Speedisk" .

Файловой системе FAT и средствам работы с диском на разных уровнях в среде операционной системы MS-DOS мы посвятили 19 том “Библиотеки системного программиста”, который называется “MS-DOS для программиста. Часть вторая”. Вы найдете в этой книге подробное изложение принципов построения файловой системы FAT.

Операционная система Microsoft Windows версии 3.1

Операционная система Microsoft Windows версии 3.1 и более ранних версий не внесла ничего нового в теорию и практику файловых систем, ограничившись использованием все той же системы FAT. Более того, для доступа к файлам процессор переключался из защищенного в реальный режим или в режим виртуального процессора 8086, а затем вызывалось прерывание MS-DOS с номером 21h.

Постоянные переключения режимов работы процессора приводили к снижению производительности. И хотя для подавляющего большинства дисковых контроллеров IDE можно было включить режим 32-разрядного доступа к диску, исключающий вызов модулей BIOS XE "BIOS" (работающих только в реальном режиме), заметного влияния на быстродействие системы этот режим не оказывал. К тому же, для большинства контроллеров SCSI XE "SCSI" 32-разрядный доступ вообще нельзя было использовать.

В программном интерфейсе операционной системы Microsoft Windows версии 3.1 были предусмотрены несколько функций для работы с файлами. Мы описали их в 113 томе “Библиотеки системного программиста”, который называется “Операционная система Microsoft Windows 3.1 для программиста. Часть третья”. Это такие функции, как OpenFile XE "OpenFile" , _lopen XE "_lopen" , _lclose XE "_lclose" , _lcreat XE "_lcreat" , _lread XE "_lread" , _lwrite XE "_lwrite" , _hread XE "_hread" , _hwrite XE "_hwrite" , _llseek XE "_llseek" .

Все перечисленные выше функции, а также функции стандартной библиотеки времени выполнения танслятора Microsoft Visual C++ можно использовать в приложениях Microsoft Windows NT. Это сделано для обеспечения совместимости на уровне исходных текстов. Однако лучше работать с новыми функциями программного интерфейса Microsoft Windows NT, обладающими намного более широкими возможностями.

Операционная система Microsoft Windows for Workgroups

Известная своими средствами работы в сети операционная система Microsoft Windows for Workgroups версии 3.11 имела одно усовершенствование, заметно увеличивающее скорость работы с файлами. Эта операционная система позволяла устанавливать режим 32-разрядного доступа не только к диску, но и к файлам, полностью исключая необходимость переключения процессора из защищенного режима работы в режим виртуального процессора 8086. И хотя по-прежнему 32-разрядный драйвер диска, поставляющийся в составе Microsoft Windows for Workgroups версии 3.11, мог работать далеко не со всеми дисковыми контроллерами, многие фирмы, изготавляющие такие контроллеры, продавали 32-разрядные драйверы, позволяющие воспользоваться преимуществами доступа к диску и файлам в 32-разрядном режиме.

Однако доступ к дискам и файлам в защищенном режиме работы процессора - это все, что изменилось в файловой системе. Операционная система Microsoft Windows for Workgroups, так же как и предыдущие версии Microsoft Windows, работает с файловой системой FAT.

Операционная система Microsoft Windows 95

При разработке операционной системы Microsoft Windows 95 была создана новая модификация файловой системы, которая получила название VFAT XE "VFAT" . Ее также называют файловой системой с таблицей размещения файлов защищенного режима - Protected mode FAT.

Несмотря на свое название, в файловой системе VFAT используется самый обычный формат таблицы размещения файлов. Этого, однако, не скажешь о формате дескрипторов файлов, расположенных в каталогах. В этот формат были внесены добавления, позволяющие пользователям указывать имена файлов и каталогов размером до 260 символов.

Каким образом это было достигнуто?

Для каждого файла или каталога, имеющего длинное имя, было задействовано несколько дополнительных дескрипторов, расположенных рядом. При этом имя (наряду с другими дополнительными атрибутами) было разбито на несколько частей и хранилось в нескольких дополнительных дескрипторах.

Однако самое интересное, что при создании файловой системы VFAT была обеспечена совместимость со старыми программами MS-DOS, которые могли работать только с короткими именами “в стандарте 8.3”. Для этого во всех дополнительных дескрипторах были установлены атрибуты “скрытый”, “системный”, “метка тома”, благодаря чему программы MS-DOS пропускали такие дескрипторы, не обращая на них внимания. В то же время для каждого файла или каталога с длинным именем файловая система VFAT создавала дескриптор специального вида, содержащий альтернативное (алиасное) имя. Альтернативное имя состоит из первых шести символов длинного имени, из которого убраны пробелы, символа “тильда” (~) и числа. Например, для имени The Mircosoft Network создается альтернативное имя THEMIC~1.

В результате пользователи могли работать с длинными именами как в приложениях Microsoft Windows 95, так и в программах MS-DOS (хотя, конечно, альтернативное имя в ряде случаев может мало напоминать исходное длинное имя).

Разработчики операционной системы Microsoft Windows 95 добивались максимальной совместимости с приложениями Microsoft Windows 3.1 и программами MS-DOS. Поэтому для работы с дисковыми устройствами (особенно экзотическими) в ряде случаев можно использовать драйверы реального режима, загружаемые с помощью файла config.sys. Это очень удобно, так как вы можете пользоваться устройством, для которого в составе Microsoft Windows 95 пока нет специального драйвера. Однако при использовании драйверов реального режима в процессе обращения к устройству происходит переключение процессора из защищенного режима в режим виртуального процессора 8086, что снижает производительность системы.

Файловая система HPFS

Высокопроизводительная файловая система HPFS (High Performance File System), использованная в операционной системе IBM OS/2, лишена большинства недостатков файловой системы FAT.

Эта файловая система оптимизирована для мультизадачной среды и ускоряет одновременную работу программ с файлами, расположенными на дисках большого объема.

Специальный алгоритм размещения файлов значительно уменьшает вредное влияние фрагментации файлов, уменьшающей общую производительность системы. При размещении файла для него подбирается подходящий непрерывный свободный участок диска и оставляется некоторый запас свободного пространства. Когда файл расширяется, для него выделяются в первую очередь секторы, относящиеся к зарезервированному для этого файла участку диска. Если же размер файла увеличился значительно, для него может быть выделен еще один или несколько свободных участков.

При использовании HPFS пользователь может указывать имена файлов размером до 254 символов, причем имя может состоять из заглавных и прописных букв, а также пробелов и некоторых других символов, например, символов “.” (в произвольном количестве).

В дополнение к таким атрибутам файлов, как “только читаемый”, “скрытый”, “системный” и “архивированный”, IBM OS/2 хранит для каждого файла набор расширенных атрибутов. Это тип файла, комментарий и ключевые слова для поиска, пиктограмма для визуального представления файла и т. д.

В распоряжении программиста имеются многочисленные функции программного интерфейса IBM OS/2, с помощью которых можно выполнять операции с файлами, в том числе и многозадачные. Например, можно запустить операцию чтения или записи фрагмента файла как отдельную задачу, которая будет выполняться автономно от запустившей ее задачи. Есть средства и для работы с расширенными атрибутами файлов, для создания, удаления и переименования файлов и каталогов, а также другие необходимые функции.

Заметим, что файловая система HPFS не содержит никаких средств разграничения доступа. Однако если она используется совместно с файл-сервером IBM Lan Server XE "IBM Lan Server" , в операционную систему IBM OS/2 добавляется специальный драйвер, обеспечивающий такое разграничение. XE "HPFS"

Другое ограничение файловой системы HPFS заключается в том, что виртуальным машинам DOS, работающим под управлением IBM OS/2, недоступны каталоги и файлы с длинными именами. Причина заключается в том, что в этой операционной системе не предусмотрено никакого механизма, обеспечивающего генерацию коротких альтернативных имен, как это сделано в операционных системах Microsoft Windows 95 и Microsoft Windows NT.

Подробнее об операционной системе IBM OS/2 вы можете прочитать в 20 томе “Библиотеки системного программиста”, который называется “Операционная система IBM OS/2 Warp” и в 25 томе этой же серии с названием “Программирование для операционной системы IBM OS/2 Warp”.

Основные характеристики файловой системы NTFS

Теперь, после такого краткого обзора наиболее популярных файловых систем, мы может сказать, что файловая система NTFS вобрала в себя самое лучшее из всего, что было создано к настоящему моменту в этой области. Обладая практически такой же высокой производительностью, как файловая система FAT, файловая система NTFS допускает использование длинных имен, имеет намного более высокую надежность и средства разграничения доступа, мощные средства поиска файлов в каталогах, основанные на использовании B-деревьев, и не требует выполнения периодической дефрагментации диска.

Что касается имен файлов, то в файловой системе NTFS допускается указывать имена размером до 255 символов в кодировке UNICODE XE "UNICODE" , когда каждый символ представляется двумя байтами. Кодировку UNICODE мы рассмотрим подробнее в одном из следующих томов “Библиотеки системного программиста”, посвященного операционной системе Microsoft Windows NT. Сейчас мы только скажем, что она позволяет сохранить имена файлов при их копировании в системы, использующие другие национальные языки.

В именах файлов и каталогов можно использовать строчные либо прописные буквы, при этом файловая система не делает между ними различий. В итоге имена MyFile, MYFILE и myfile означают одно и то же. В режиме совместимости со стандартом POSIX, однако, операционная система Microsoft Windows NT будет считать все перечисленные выше имена разными. Рассмотрение стандарта POSIX, предназначенного для совместимости с UNIX-программами XE "UNIX-программы" (точнее говоря, приложения UNIX, отвечающие стандарту POSIX XE "POSIX" , будет легче переносить на платформу Microsoft Windows NT), выходит за рамки нашей книги.

Использование B-деревьев при поиске имен в каталогах вместо обычного последовательного пребора значительно сокращает время открывания файлов, особенно если каталог содержит очень много файлов (последнее не редкость, так как современные приложения состоят из десятков, если не сотен файлов).

Стоит специально отметить, что в отличие от HPFS, файловая система NTFS содержит специальные средства, предназначенные для повышения устойчивости к различным аварийным ситуациям, таким, например, как внезапное отключение электропитания или аварийный останов операционной системы. Эти срества используют логику обработки транзакций, в результате чего операции, которые в результате аварии не успели завершиться, будут отменены с восстановлением файловой системы в исходное состояние.

Файловая система NTFS практически не имеет ограничений на макисмальный размер файла. Так, если файловые системы FAT и HPFS позовляет создавать файлы размером не более 2³² байта, файловая система NTFS может работать с файлами размером до 2⁶⁴ байта. Максимальный размер пути, который в FAT составлял 64 байта, в NTFS не ограничен.

Для совместимости с программами MS-DOS, запущенными под управлением операционной системы Microsoft Windows NT, файловая система NTFS для всех файлов и каталогов создает короткие альтернативные имена, аналогично тому, как это делает операционная система Microsoft Windows 95. Если операционная система Microsoft Windows NT Server используется в качестве файл-сервера сети, то альтернативные имена позволяют получить доступ ко всем файлам и каталогам сервера из рабочих станций MS-DOS, неспособных работать с длинными именами напрямую.

Ко всему прочему добавим, что файловая система NTFS в операционной системе Microsoft Windows NT версии 3.51 позволяет выполнять динамическую компрессию файлов, аналогично тому как это делает драйвер DriveSpace или Stacker в операционной системе MS-DOS.