Марк Руссинович - 4.Внутреннее устройство Windows (гл. 12-14)

Многие верят в то, что NTFS якобы автоматически оптимизирует размещение файлов на диске, не допуская их фрагментации. Хотя она стремится записывать файлы в непрерывные области, со временем файлы на томе могут стать фрагментированными — особенно когда свободного пространства мало. Файл является фрагментированным, если его данные занимают несмежные кластеры. Так, на рис. 12–19 показан фрагментированный файл, состоящий из трех фрагментов. Ho, как и большинство файловых систем (включая версию FAT в Windows), NTFS не предпринимает специальных мер по поддержанию непрерывного размещения файлов на диске — разве что резервирует область дискового пространства, называемую зоной главной таблицы файлов (master file table, MFT), где и хранится MFT (NTFS разрешает выделять место под файлы из зоны MFT, когда на томе остается мало свободного пространства.) Подробнее о MFT см. раздел «Главная таблица файлов» далее в этой главе.

Для упрощения разработки независимых средств дефрагментации дисков в Windows включен API дефрагментации, с помощью которого подобные утилиты могут перемещать файловые данные так, чтобы файлы занимали непрерывные кластеры. Этот API реализован на основе управляющих кодов файловой системы: FSCTL_GET_VOLUME_BITMAP (возвращает карту свободных и занятых кластеров тома), FSCTL_GET_RETRIEVAL_POINTERS (возвращает карту кластеров, занятых файлом) и FSCTL_MOVE_FILE (перемещает файл).

B Windows имеется встроенная программа дефрагментации, доступная через утилиту Disk Defragmenter (WindowsSystem32Dfrg.msc). Ей присущ ряд ограничений, в частности в Windows 2000 эту утилиту нельзя запускать из командной строки или автоматически запускать по заданному расписанию. B Windows XP и Windows Server 2003 у программы дефрагментации появился интерфейс командной строки, WindowsSystem32Defrag.exe, позволяющий запускать процесс дефрагментации интерактивно или по расписанию, но она по-прежнему не сообщает детальных отчетов и не поддерживает такие возможности, как исключение определенных файлов или каталогов из процесса дефрагментации. Сторонние утилиты дефрагментации дисков, как правило, предлагают более богатую функциональность.

B Windows XP поддержка дефрагментации для NTFS была переписана, чтобы снять часть ограничений, которые были в Windows 2000. Так, в Windows 2000 поддержка дефрагментации NTFS опиралась на диспетчер кэша, что создавало ряд ограничений, например невозможность перемещения файловых блоков размером более 256 Кб или дефрагментации файлов метаданных NTFS. (Заметьте, что 256 Кб — это размер представлений, поддерживаемых диспетчером кэша. Подробнее о диспетчере кэша см. главу 11.) B реализации дефрагментации NTFS в Windows XP и Windows Server 2003 существует лишь одно ограничение — нельзя дефрагментировать страничные файлы и файлы журналов NTFS.

До Windows XP драйвер файловой системы NTFS поддерживал монтирование тома исключительно на записываемом носителе, куда он должен был помещать файлы журналов транзакций. Драйверы NTFS в Windows XP и Windows Server 2003 могут монтировать тома на носителях только для чтения; эта функциональность нужна во встраиваемых системах, в которых базовые образы файловой системы (base file system images) доступны только для чтения.

Как отмечалось в главе 9, подсистема ввода-вывода Windows устроена так, что NTFS и другие файловые системы представляют собой загружаемые драйверы устройств режима ядра. Они неявно вызываются приложениями, использующими Windows или другие API ввода-вывода (например, POSIX). Как показано на рис. 12–20, подсистемы окружения вызывают системные сервисы, которые в свою очередь находят соответствующие загруженные драйверы и вызывают их. (O диспетчеризации системных сервисов см. раздел «Диспетчеризация системных сервисов» главы 3.)

Драйверы передают друг другу запросы ввода-вывода, вызывая диспетчер ввода-вывода исполнительной системы. Использование диспетчера ввода-вывода в качестве промежуточного звена обеспечивает независимость каждого драйвера, что позволяет загружать и выгружать его без последствий для других драйверов. Кроме того, драйвер NTFS взаимодействует с тремя другими компонентами исполнительной системы (рис. 12–21), тесно связанными с файловыми системами.

Сервис файла журнала (log file service, LFS) является частью NTFS и предоставляет функции для поддержки журнала изменений на диске. Файл журнала LFS используется при восстановлении тома NTFS в случае аварии системы (подробнее о LFS см. раздел «Сервис файла журнала» далее в этой главе).

Диспетчер кэша — компонент исполнительной системы, предоставляющий общесистемные сервисы кэширования для NTFS и драйверов других файловых систем, в том числе сетевых (т. е. для серверов и редиректоров). Все файловые системы, реализованные в Windows, получают доступ к кэшированным файлам, проецируя их на системное адресное пространство, а затем считывая соответствующие участки виртуальной памяти. C этой целью диспетчер кэша предоставляет диспетчеру памяти специализированный интерфейс файловых систем. Когда программа пытается обратиться к какой-либо части файла, не загруженной в кэш (промах кэша), диспетчер памяти вызывает NTFS для обращения к драйверу диска и загрузки нужных файловых данных. Диспетчер кэша оптимизирует дисковый ввод-вывод, вызывая диспетчер памяти (для сброса на диск содержимого кэша в фоновом режиме) из потоков подсистемы отложенной записи.

NTFS участвует в модели объектов Windows, реализуя файлы в виде объектов. Такая реализация допускает совместное использование файлов и их защиту диспетчером объектов, который управляет всеми объектами уровня исполнительной системы (о диспетчере объектов см. главу 3).

Приложение создает файлы и обращается к ним так же, как и к любым другим объектам Windows, — через описатели объектов. K тому времени, когда запрос ввода-вывода достигает NTFS, диспетчер объектов и система защиты уже убедились в наличии у вызывающего процесса прав на запрошенные им виды доступа к объекту «файл». Система защиты сравнила маркер доступа вызывающего процесса с элементами ACL этого объекта «файл» (подробнее об ACL см. главу 8), а диспетчер ввода-вывода преобразовал описатель файла в указатель на объект «файл». NTFS использует информацию из объекта «файл» для обращения к файлу на диске.

Ha рис. 12–22 показаны структуры данных, связывающие описатель файла со структурой файловой системы на диске.

NTFS получает адрес файла на диске из объекта «файл» по нескольким указателям. Как видно из рис. 12–22, объект «файл», представляющий один вызов системного сервиса для открытия файла, указывает на блок управления потоком данных (stream control block, SCB) для атрибута, который вызывающая программа пытается считать или записать. B нашем случае процесс открыл как безымянный атрибут данных, так и именованный поток (альтернативный атрибут данных) файла. SCB представляют отдельные атрибуты файла и содержат информацию о том, как искать конкретные атрибуты внутри файла. Все SCB файла указывают на общую структуру данных — блок управления файлом (file control block, FCB). FCB содержит указатель на запись файла в главной таблице файлов (MFT), о которой мы поговорим в следующем разделе.

Здесь мы рассмотрим структуру тома NTFS, включая способы разбиения дискового пространства и его организации в кластеры, принципы хранения на диске реальных файловых данных и информации об атрибутах, а также поясним, как работает механизм сжатия данных в NTFS.

Структура NTFS начинается с тома. Том (volume) соответствует логическому разделу на диске и создается при форматировании диска или его части под NTFS. Оснастка Disk Management (Управление дисками) консоли MMC также позволяет создать том RAID, охватывающий несколько дисков.

Ha диске может быть один или несколько томов. NTFS обрабатывает каждый том независимо от других. Три примера конфигурации 150-мегабайтного жесткого диска показаны на рис. 12–23.

Том состоит из набора файлов и свободного пространства, оставшегося в данном разделе диска. B FAT том также содержит области, специально отформатированные для использования файловой системой. Ho в томе NTFS все данные файловой системы вроде битовых карт, каталогов и даже начального загрузочного кода хранятся как обычные файлы.

ПРИМЕЧАНИЕ У NTFS-TOMOB в Windows 2000 дисковый формат версии 3.0; в Windows XP и Windows Server 2003 в этот формат были внесены незначительные изменения, и теперь используется его версия 3.1. Номер версии тома хранится в файле метаданных IVolume.

Размер кластера на томе NTFS, или кластерный множитель (cluster factor), устанавливается при форматировании тома командой format или в оснастке Disk Management (Управление дисками). Размер кластера по умолчанию определяется размером тома, но всегда содержит целое число физических секторов с дискретностью N2 (т. е. 1 сектор, 2 сектора, 4 сектора, 8 секторов и т. д.). Кластерный множитель выражается числом байтов в кластере, например 512 байт, 1 Кб или 2 Кб.