Файлы на жестком диске или другом типе накопителя (например, SSD) хранятся в виде данных, которые разбиты на блоки, страницы или сектора, в зависимости от типа устройства. Чтобы понять, как именно происходит хранение файлов на диске, давайте рассмотрим этот процесс поэтапно.
1. Физическая структура хранения
На уровне физической структуры, диски делятся на несколько компонентов:
Жесткие диски (HDD): используют магнитные пластины для записи данных. Эти пластины вращаются с высокой скоростью, а головки чтения/записи перемещаются по их поверхности, записывая данные в виде магнитных изменений на определенных участках поверхности диска.
Твердотельные накопители (SSD): используют флеш-память, основанную на микросхемах NAND, которые хранят данные в виде электрических зарядов в ячейках памяти.
На более высоком уровне обе технологии (HDD и SSD) работают через сектора, кластеры, страницы и другие абстракции, которые скрывают от пользователя физическую организацию данных.
2. Логическая структура
Когда мы говорим о том, как хранятся файлы на диске, мы обычно имеем в виду логическую структуру. Данные на диске представляют собой последовательность бит, организованных в блоки, которые в свою очередь представляют собой файлы.
a) Блоки и сектора
Диски разделены на маленькие участки данных, называемые секторами. Обычно размер сектора составляет 512 байт или 4096 байт (4 КБ). Когда вы записываете данные на диск, они записываются в эти сектора. Программы и операционные системы работают с большими единицами данных, называемыми кластерами. Кластер — это несколько секторов, которые группируются вместе для более эффективной работы с данными.
b) Файловая система
Файловая система отвечает за организацию данных на диске. Это не что-то физическое, а скорее структура, которая определяет, как данные группируются, как им присваиваются имена, и как с ними можно взаимодействовать. Существует несколько типов файловых систем, таких как:
FAT (File Allocation Table) — одна из старых файловых систем, использующая таблицу распределения для отслеживания расположения каждого файла на диске.
NTFS (New Technology File System) — более современная файловая система, используемая в операционных системах Windows, поддерживает продвинутые функции, такие как контроль доступа, сжатие файлов и журналирование.
ext4 (Extended File System 4) — широко используемая файловая система в Linux, поддерживает создание больших файлов и использует механизмы для повышения скорости работы с данными.
Файловая система разделяет диск на несколько логических структур, таких как:
Корневой каталог (Root Directory) — основная точка входа в файловую систему.
Директории (папки) — контейнеры для организации файлов.
Записи о файлах (File Records) — данные, которые содержат информацию о местоположении файлов на диске, их размерах, разрешениях и других атрибутах.
c) Указатели и индексные структуры
Когда файл сохраняется на диске, файловая система должна отслеживать его расположение. Для этого она использует индексные структуры и указатели. Например, в NTFS и ext4 это может быть дерево B-деревьев или структуры хеширования, которые хранят информацию о том, какие блоки данных на диске принадлежат этому файлу.
3. Процесс записи и чтения данных
a) Запись файла
Разбиение файла на блоки: Когда вы сохраняете файл, операционная система разбивает его на небольшие блоки данных, размер которых обычно равен размеру кластера (например, 4 КБ). Если файл не умещается в один кластер, он будет записан в несколько, которые могут располагаться по всему диску.
Индексирование: Каждый блок данных получает уникальный указатель или запись в таблице файловой системы, которая указывает, где находится каждый блок.
Физическая запись: Данные записываются на диск в соответствующие сектора, при этом они могут быть записаны не подряд (фрагментация), особенно если файл большой или диск сильно загружен.
b) Чтение файла
Поиск индекса: Операционная система ищет информацию о файле в таблице файловой системы или в индексной структуре (например, в B-дереве).
Восстановление блоков: Система находит указатели на все блоки файла и извлекает данные из соответствующих секторов на диске.
Воссоздание файла: Операционная система объединяет все блоки, из которых состоит файл, в единое целое, и передает его в программу, которая запросила чтение.
4. Фрагментация данных
Со временем, когда файлы создаются, изменяются и удаляются, на диске могут возникать фрагменты — несмежные блоки, в которые файлы записываются. Это может замедлить работу системы, так как потребуется больше времени для поиска данных. Чтобы минимизировать фрагментацию, некоторые файловые системы используют дефрагментацию — процесс перемещения фрагментов данных в более компактное и последовательное расположение.
5. Журналирование и избыточность
Современные файловые системы, такие как NTFS и ext4, используют журналирование для повышения устойчивости к сбоям. Это означает, что перед тем как изменить данные на диске, файловая система записывает журнал, в котором указано, какие изменения будут сделаны. Если система сбойнет в процессе записи, можно восстановить данные с помощью этого журнала.
6. Системы хранения и управление данными
В некоторых случаях файлы могут храниться на массиве дисков, как, например, в системах RAID (Redundant Array of Independent Disks). RAID использует несколько физических дисков для создания избыточности и повышения производительности, комбинируя их таким образом, чтобы данные могли быть восстановлены в случае сбоя одного из дисков.
7. Специальные структуры и метаданные
Файлы на диске также могут сопровождаться различными метаданными, такими как:
Имя файла.
Дата и время создания, изменения и доступа.
Разрешения и права доступа.
Размер файла.
Сжатие и шифрование.
Эти метаданные позволяют операционной системе и пользователям эффективно управлять файлами, обеспечивать безопасность и выполнять операции с данными.
8. SSD против HDD
При использовании SSD данные записываются по-другому, так как они работают на базе флеш-памяти. Например, у SSD есть определенные ограничения по количеству циклов записи для каждой ячейки памяти. Поэтому SSD использует методы, такие как выравнивание износа (wear leveling), чтобы равномерно распределить записи по всем ячейкам памяти и продлить срок службы устройства.
В общем, хранение файлов на диске — это сложный процесс, включающий физическую и логическую организации данных, использование различных файловых систем, индексацию данных, а также методы для обеспечения надежности и производительности.
