Файловые системы часть 1

Это может показаться странным, но к компьютерной революции привело вовсе не появление массового микропроцессора и даже не появление языков программирования. Первые компьютеры могли работать только с одной задачей и хранить в памяти только соответствующие данные. Однако вскоре объем памяти компьютеров существенно возрос, и образовалось свободное место, где можно было хранить не только данные, но и сами программы. Вопрос заключался лишь в том, каким образом отделять одну программу от другой и различать данные, относящиеся к разным программам или к разным прогонам одной и той же задачи (не говоря уже о результатах). Так возникло понятие «файл», а потом и «файловая система». Именно их появление обусловило возможность создания сложных операционных систем и массы прикладного программного обеспечения, которое, в свою очередь, превратило компьютеры в инструмент для повседневной работы и платформу для развлечений.

Физически жесткий диск разделен на отдельные тоненькие «пластинки», а те в свою очередь на «дорожки» и «секторы» (иногда выделяют еще «цилиндры» — это совокупность всех дорожек под одним и тем же номером). Наименьшим из них является сектор — он представляет собой линейный поток данных объемом всего в 512 байт. Однако пользовательских файлов такого маленького объема практически не бывает. Более того, как правило, файлы занимают несколько секторов, разбросанных по всему необъятному пространству дисковой памяти. Поэтому для того чтобы «собрать воедино» все куски одного и того же файла и использовать его (например, запустить), необходима дополнительная структура, которая содержит перечень (адреса) всех этих фрагментов и увязывает их с каким-то логическим именем. Эта структура и есть простейшая файловая система. Современные файловые системы представляют собой очень сложные структуры, которые позволяют не только располагать на жестком диске информацию в виде файлов, но и шифровать ее, сжимать и даже отслеживать изменения. Об этом мы и поговорим в данной статье.

Дальнейший рассказ невозможен без знакомства с понятиями раздела и логического диска (или тома). Обычно пользователь сталкивается с ними уже после установки операционной системы (чаще всего Windows — где каждому диску назначена латинская литера) и воспринимает их как данность. На диске С как правило располагается система, на диске D — программное обеспечение и документы, а на диске Е — игры, музыка или фильмы. Но на самом деле их назначение несколько иное. Операционная система может адресовать конечное количество памяти. Поэтому дисковое пространство необходимо делить на отдельные зоны, где используется отдельное пространство адресов. Это и есть логические диски, или тома (volume). Каждый диск может иметь свою собственную файловую систему, связывающую физическую адресацию с логическими именами файлов.

Ситуация с разделами (partition) несколько сложнее. Несмотря на то что это понятие часто отождествляют с логическими дисками, все-таки следует их различать. Видов логических дисков может быть много (они различаются по файловой системе), а вот видов разделов существует только два — первичный и расширенный. Различаются они тем, что только у первичных разделов в первом секторе находится загрузочная запись, отвечающая за загрузку операционной системы. Вот почему первичный раздел должен содержать лишь один логический диск — и именно поэтому эти понятия путают.

Формально разделов на жестком диске может быть только четыре. Это объясняется тем, что в главной загрузочной записи (Master Boot Record — MBR), расположенной в первом физическом секторе жесткого диска, таблица разделов может содержать только четыре записи. Однако на современных рабочих станциях дисков обычно бывает намного больше — особенно на серверах. Чтобы обеспечить возможность деления жесткого диска на неограниченное количество логических дисков, и были придуманы «расширенные разделы», которые своей файловой системы не имели и существовали только для того, чтобы содержать в себе другие диски.

Расширенный раздел на жестком диске может быть только один, но с неограниченным размером (на рисунке на предыдущей странице он обозначен как «/dev/sda2»). У него свой собственный вариант загрузочной записи, которая кроме того, что отмечает начало диска, может содержать также ссылку на следующий диск внутри раздела. Таким образом, формируется цепочка, которая и позволяет делить расширенный раздел на неограниченное число логических дисков.

В итоге максимальная конфигурация любого жесткого диска может составлять три первичных (основных) раздела и один расширенный. На практике фабричное деление предусматривает всего два раздела — один первичный (для операционной системы) и один расширенный (для данных). Для повседневной работы пользователю такой конфигурации хватает, но иногда все же возникает необходимость в изменении размеров логических дисков или в переформатировании их под другую файловую систему. Для решения подобного рода задач предназначены программы, которые называются «менеджеры разделов» (partition managers).

Самой простой ситуацией, в которой может понадобиться изменение размеров диска, является установка новой операционной системы. При фабричном разбиении жесткого диска обычно на системный диск отводится не очень большой объем. Это облегчает резервное копирование системы (об этом мы уже писали в одной из предыдущих статей), а также позволяет уберечь пользовательские данные от серьезного сбоя. Однако новые версии операционных систем, как правило, больше предыдущих и для стабильной работы требуют больше дискового пространства. Так, если для работы Windows XP с избытком хватает 20 Гб, то в случае Windows 7 этого будет едва достаточно для установки.

На рисунке показана достаточно распространенная ситуация: после апгрейда с Windows XP до Windows 7 оказалось, что на системном диске осталось крайне мало свободного места. В одной из предыдущих статей, посвященной дефрагментации, мы рассказывали о том, что нельзя допускать падения объема свободного места ниже 12 % — а здесь оно упало до 10 %. Работать при таких условиях операционная система сможет, но провести ту же дефрагментацию уже нереально. Единственный возможный выход в данной ситуации — изменить размер системного диска. Однако что же делать с данными? При переразбиении диска стандартными средствами операционной системы (такими как fdisk) они обычно теряются…

Один из самых распространенных менеджеров разделов — Acronis Disk Director — позволяет изменять размер диска без потерь данных. Достигается это разбиением комплексной задачи по переразбиению на элементарные задачи. Например, «добавить» объема системному диску мы можем только за счет диска D.

Следовательно, перед тем как увеличивать системный диск, надо «сдвинуть» все данные на нужный объем и изменить запись разделов так, чтобы диск D начинался с другого физического адреса. После чего освободившееся место можно будет спокойно добавить к диску C. Для этого воспользуемся функцией Resize volume.

Обратите внимание — в процессе сдвига данных образовались две «неразмеченные» (unallocated) области. Первая, размером в 10 Гб, — это тот объем, который мы хотим добавить к системному диску и на который сдвигаем данные диска D посредством коричневого ползунка. Вторая область создается автоматически и выполняет роль буфера, при помощи которого перемещаются данные и обеспечивается их целостность. Впоследствии его можно будет добавить к диску D при помощи этой же функции, но в данном диалоговом окне нужно будет поставить галочку напротив Append all unallocated disk space to the volume.

Следующим шагом мы увеличиваем размер диска С — при помощи этой же функции и точно такого же ползунка. При необходимости повторяем операцию изменения размера для диска D — чтобы убрать ненужную буферную зону. Все эти действия Acronis Disk Director не производит моментально, а запоминает как последовательные и независимые операции. Выполняются они в специальном защищенном режиме после перезагрузки. Принцип тот же, что и при предзагрузочной дефрагментации — пока файлы не заблокированы никакими службами, с ними можно проводить любые манипуляции. Такое разделение позволяет выполнять сложные операции, не оставляя за собой «хвостов» в виде буферных зон и обходясь при этом всего одной перезагрузкой.

После того как Disk Director выполнит все действия, операционная система нормально загрузится и можно будет посмотреть на результат. Как видно на рисунке, задача выполнена успешно: объем системного диска увеличился и свободное место теперь составляет 41 %. Для работы более чем достаточно.