Файловые системы linux сравнение. Файловые системы: сравнение, секреты и уникальные особенности. Экстенты и битовые карты

Оставьте комментарий 6,950

(2010 год) с некоторыми дополнениями и уточнениями.

Журналирование

Прежде, чем говорить о файловых системах — давайте кратко рассмотрим понятие «журналирование «.

Журналирование в том или ином виде применяется практически во всех современных файловых системах.

Журналирование используется только при операциях записи на диск, и является своеобразным буфером для всех таких операций. Этот подход помогает решить проблемы, которые возникают во время операции записи на диск, при которых компьютер выключается, например — из-за отключения электричества. Без журналирования в таких случаях невозможно выяснить — какие файлы были записаны — а какие не были или были записаны частично.

При использовании журналирования — файл сначала записывается в журнал (или «лог»). После этого — файл записывается на жесткий диск а потом удаляется из журнала, после чего операция записи считается завершённой. Если во время записи выключилось питание — то после включения системы файловая система может проверить журнал, и найти незавершённые операции.

Самая главная проблема при использовании журналирования — это то, что для её использования требуются дополнительные ресурсы системы. Для того, что бы уменьшить такие накладные расходы — журналируемые файловые системы пишут в журнал не весь файл целиком — а только определённые метаданные.

Файловые системы Ext

Ext

Означает «Extended » (расширенная) файловая система, и она являлась первой, которая была разработана специально для Linux -систем. Всего на сегодняшний день существует 4 файловые системы Ext . Самая первая из них — просто Ext — являлась серьёзным обновлением ФС ОС Minix .

Характеристики Ext :

максимальный размер файла: 2GB;
максимальный размер раздела: 2GB;

Разработчик — , а первая версия появилась в 1992 году.

Мы не будем её рассматривать, т.к. скорее всего вы уже никогда с ней не столкнётесь.

Ext2

— не журналируемая ФС, выпущенная в 1993 году, основная задача для которой была поддержка устройств размером до 2 Террабайт. Т.к. у Ext2 нет журналирования — она выполняет намного меньше операций записи на диск, что сказывается на быстродействии и области её применения.

Характеристики:

максимальный размер файла: 16GB — 2TB;
максимальный размер раздела: 2 — 32 TB;
максимальный размер имени 255 символов.

в силу низкого количества операций записи-удаления данных — является идеальной для различных флеш-накопителей;
в то же время современные SSD -диски имеют улучшенные показатели их жизненного цикла (изноустойчивости элементов накопителя) и некоторые другие особенности, которые нивелируют недостатки Ext2 как не журналируемой ФС.

Ext3

— появилась в 2001 году, вместе с выпуском Linux Kernel 2.4.15. Фактически является той же Ext2 , но с поддержкой журналирования. Основной целью Ext3 была возможность её обратной совместимости с Ext2 без необходимости переформатирвоания разделов. К преимуществам же можно отнести тот факт, что большая часть тестирования, багфиксов и т.д. для Ext3 была то же, что и в Ext2 , что сделало Ext3 более стабильной и быстрой ФС.

Характеристики:

максимальный размер файла: 16GB — 2TB (в зависимости от размера блока);
максимальный размер раздела: 2 — 32 TB (в зависимости от размера блока);

подходит, если у вас используется Ext2 , и вы хотите исподьзовать журналирование;
в силу своей производительности и стабильности — вероятно, будет наиболее подходящей ФС для серверов баз данных;
возможно не лучший выбор для серверов, т.к. не поддерживает создание снимков (shapshot ) ФС и сложностей с восстановлением удалённых файлов.

Ext4

— как и Ext3 имеет обратную совместимость с предыдущими версиями ФС. Собственно говоря, вы можете смонтировать Ext2 или Ext3 как Ext4 -и при определённых условиях добиться большей производительности. Вы так же можете смонтировать Ext4 как Ext3 без каких-либо побочных эффектов.

Ext4 — стабильная версия была выпущена в 2008 году. Является первой ФС из «семейства» Ext , использующая механизм « «, который позволяет добиться меньшей фрагментации файлов и увеличить общую производительность файловой системы. Кроме того — в Ext4 реализован механизм отложенной записи ( ), который так же уменьшает фрагментацию диска и снижает нагрузку на CPU. С другой стороны — хотя механизм отложенной записи и используется во многих ФС — но в силу сложности своей реализации он повышает вероятность утери данных. См. для более подробной информации.

Характеристики:

максимальный размер файла: 16 TB;
максимальный размер имени файла: 255 символов.

наилучший выбор для SSD ;
наилучшая производительность по сравнению с предыдущими Etx -системами;
она так же отлично подходит в качестве файловой системы для серверов баз данных, хотя сама система и моложе Ext3 .

BtrFS

— разработана компание Oracle в 2007 году. По своей схеме схожа с ReiserFS , основной принцип её работы — это т.н. . BtrFS позволяет динамически выделять inode, создавать снимки ФС во время её работы, выполнять прозрачную компрессию файлов и делать дефрагментацию в рабочем режиме.

Хотя стабильная версия BtrFS ещё не включена в большинство дистрибутивов Linux (на сегодняшний день, судя по посту — только SUSE и Oracle Linux ) — она вполне может заменить Ext3/4 в обозримом будущем и уже предоставляет возможности по конвертации Ext3/4 в BtrFS . Кроме того, стоит упомянуть, что один из разработчиков Ext , сказал, что «BtrFS — это шаг в будущее».

Характеристики:

максимальный размер раздела: 16 EB;
максимальный размер имени файла: 255 символов.

в силу производительности, снимкам и другим возможностям — BtrFS является отличной файловой системой для сервера;
Oracle так же разрабатывает замену для NFS и CIFS , которая называется CRFS и которая призвана улучшить производительность для файловых хранилищ с BtrFS ;
тесты производительности показали отставание BtrFS от Ext4 на твердотельных носителях, таких как SSD и при операциях со сравнительно небольшими файлами:

ReizerFS

— представленная в 2001 году реализовала в себе многие возможности, которые никогда не смогут быть реализованы в Ext *. В 2004 на замену ReizerFS была выпущена ФС Reizer4 .

В то же время — разработка Reizer4 продвигается очень медленно, и до сих пор имеет ограниченную поддержку (?) в ядре Linux . В настоящее время реально доступной для использования остаётся только ReiserFS .

Характеристики:

максимальный размер файла: 1 EB ();
максимальный размер раздела: 16 TB;
максимальный размер имени файла: 4032 байт, но ограничено до 255 символов .

отличная производительность при работе с небольшими файлами, такими как файлы логов и отлично подойдёт для серверов баз данных или почтовых серверов;
ReiserFS хорошо поддаётся увеличению размера тома — но не поддерживает его уменьшение и шифрование на уровне ФС;
будущее Reiser4 пока остаётся под вопросом и пока BtrFS остаётся предпочтительным (?) выбором между этими двумя ФС.

ZFS

— стоит упомянуть тут, т.к. она так же разрабатывалась компание Oracle и имеет возможности, схожие с BtrFS и ReizerFS . Она так же стала весьма известна после того, как компания Apple о намерении использовать её в качестве ФС по умолчанию. Первый релиз ZFS состоялся в 2005 году.

В силу ограничений из-за лицензии — ZFS не может быть включена в ядро Linux , однако её поддержка возможна с помощью механизма Linux’s (FUSE ).

Характеристики:

максимальный размер файла: 16 EB ();
максимальный размер раздела: 256 ZiB (Zebibyte);
максимальный размер имени файла: 255 байт.

показыавет отличную производительность при работе с большими дисковыми массивами;
поддерживает возможности по объединению дисков в массивы, созданию снимков ФС, и работе со «расслоённым отображением» ( ) данных;
возможны сложности при попытке установки и использования в Linux -системах, в силу необходимости использования FUSE .

Swap

Swap — не является файловой системой вообще. Файл или раздел со swap -ом используется системой виртуальной памяти ядра и не имеет структуры файловой системы вообще. Её нельзя примонтировать и считать с неё данные, т.к. swap используется исключительно ядром Linux для записи страниц памяти не диск. Как правило — swap используется только в том случае, когда ОС испытывает недостаток в свободной RAM и «сбрасывает» часть данных из памяти в swap для её освобождения.

Было время, когда вопрос, вынесенный в заголовок статьи, просто не стоял перед пользователями. Несмотря на то что файловых систем было более одной еще до момента появления первых персоналок, выбора обычно не существовало. Просто потому, что разных несовместимых (или лишь частично совместимых) архитектур компьютеров было много, за каждой стояла конкретная фирма, использующая свою собственную операционную систему и имеющая собственные представления о том, «что такое хорошо и что такое плохо». Причем еще и носители данных применялись разные и друг с другом несовместимые. А если и совместимые аппаратно (например, НГМД использовались очень многими вычислительными системами, причем основные типоразмеры дисководов на аппаратном уровне были худо-бедно стандартизованы), то данные все организовывали по-своему. Более-менее совместимыми оказались ленточные накопители, поскольку так уж сложилось исторически, что еще со времен «больших» компьютеров именно они чаще всего применялись для обмена данными между системами различной архитектуры. Но единственными массовыми магнитофонами, которые использовались совместно с персоналками, оказались бытовые, а примитивность типичных компакт-кассет приводила к тому, что все производители, если уж их и использовали, пытались «выжать» из носителя максимум, причем все делали это разными способами.

Ситуация улучшилась лишь тогда, когда стало ясно, что линейка IBM PC (прародительница практически всех выживших на сегодняшний день архитектур ПЭВМ) постепенно становится стандартом де-факто в отрасли (и не только). Ну а когда на рынке появляется доминирующая архитектура, все остальные вынуждены это учитывать - из соображений выживания. Основным сменным носителем данных тогда являлись гибкие диски, так что достаточно быстро средством обеспечения совместимости оказались те их форматы, которые использовала компания IBM. Далеко не лучшие, надо заметить. Причем не только по аппаратуре, хотя и это тоже - несмотря на то что первые дисководы на 3,5″ появились в том же году, что и первые РС, и многие производители начали их использовать еще в первой половине 80-х годов, сама IBM перешла на этот конструктив лишь в 1987 году, а до того момента цеплялась за пятидюймовые дисководы, представленные на рынке еще в 1976 году. Однако и с точки зрения форматирования «оригинальные» разработки IBM уступали даже многим клонам ее компьютеров - в частности, компания на двухсторонних дискетах двойной плотности хранила лишь 360 Кбайт информации, в то время как конкуренты из них же без особых ухищрений выжимали и 600-720 Кбайт. Ну а уж о примитивности файловой системы FAT не рассуждал только ленивый. Хотя, вполне возможно, именно примитивность и стала второй причиной превращения «писюковых дискет» в стандарт - его было очень уж легко поддерживать. Пусть хотя бы только для чтения и в дополнение к собственному «продвинутому» варианту.

Впрочем, с точки зрения сегодняшнего дня все это имеет лишь историческую ценность. Дискеты давно уже перестали использоваться в качестве основного средства переноса информации, да и альтернативных линейке «х86-based» компьютеров на большинстве сегментов рынка не осталось. Однако нельзя сказать, что это полностью решило все проблемы. Дело в том, что на этой са́мой единственной стандартной платформе работает чуть ли не больше операционных систем, чем их было во времена, когда «расцветали все цветы». Даже если взять самое распространенное на рынке семейство, а именно Windows, то оно, строго говоря, неоднородно. Бо́льшая часть инсталляций приходится до сих пор на Windows XP - родом из начала века, но занимающую чуть ли не 2/3 рынка. Где-то четверть последнего приходится на современные версии Windows, а все оставшееся - на сборную солянку из сохранившихся компьютеров с системами, появившимися до Windows XP (их сейчас осталось мало, но все еще встречаются), различные версии MacOS и цельный букет UNIX-систем. Но даже если вам повезло никогда не сталкиваться в практической жизни ни с чем, кроме Windows XP, полностью это проблему не решает - некогда «компьютерные» технологии давно уже вышли за пределы этого рынка, активно вторгаясь в сферу бытовой электроники. Например, большинство сегодняшних видеоплееров умеет работать с USB-накопителями, а в фотоаппаратах или мобильных телефонах повсеместно применяются разнообразные карты памяти. И тут все оказывается просто только в том случае, если, например, карта используется исключительно в «своем» фотоаппарате - форматируем ее средствами камеры и навсегда забываем об этом вопросе:) Однако если нам надо хотя бы обмениваться данными с компьютером, тут уже все не так очевидно…

Причина возникновения проблемы в том, что практически все современные операционные системы за редким исключением поддерживают не одну файловую систему (как это было 20-30 лет назад), а несколько. Причем степень их поддержки может быть совершенно разной. И иногда изменяемой при помощи дополнительных программ. Вариантов масса, поэтому мы не будем пытаться охватить их все в одной небольшой статье. Но достаточное количество базовой информации, дабы можно было понять «куда копать», все же попробуем дать. А для этого достаточно познакомиться с основными доступными файловыми системами, а также их достоинствами и недостатками.

FAT - старая, ограниченная, но вездесущая

Начнем мы со старейшей файловой системы, появившейся еще во времена MS DOS, но, тем не менее, до сих пор иногда встречающейся. К положительным особенностям системы относятся простота, компактность служебных областей и большой срок присутствия на рынке. В общем-то, первые два достоинства непосредственно вытекают из третьего - в 1980 году, когда система и появилась, компьютеры были столь «мощными», а носители информации столь «емкими», что ничего сложного использовать было просто нельзя. Впрочем, оригинальный вариант, а именно FAT12, уже давно вышел из широкого пользования вследствие того, что размер диска с этой системой не может превышать 32 МиБ. Хотя, конечно, к некоторым фотоаппаратам и даже видеокамерам до сих пор умудряются прилагать флэш-карту такого или даже меньшего размера, но полноценно использовать их в подобной комплектации все равно не выйдет.

А вот FAT16, появившаяся 23 года назад, уже интереснее, благо размер как файла, так и раздела доведен уже до 2 ГиБ (для тех, кто еще не успел привыкнуть к двоичным приставкам - это чуть больше двух гигабайт). Теоретически, емкость раздела может достигать и 4 ГиБ при использовании кластеров по 64 Кбайт, однако этот вариант не является стандартным, так что поддерживается далеко не везде. На компьютерах с таким разделом умеют работать системы начиная с Windows NT4 и более новыми этой линейки, но вот ни бытовая техника, ни большинство «альтернативных» систем с ними не совместимо. Таким образом, этот вариант можно считать полностью пригодным лишь для накопителей невысокой емкости. Последних у пользователей на руках достаточно много до сих пор, но «бал правят» не они. А вот во времена флэшек размером до гигабайта была FAT16 весьма актуальной ввиду, как раз, небольших потребностей в объеме для своих нужд. Так, например, на отформатированной под FAT16 флэшке на 128 МБ пользователю остаются доступными 128 621 744 байт, а если использовать FAT32 - 127 921 152 байт. С одной стороны, пустячок, а с другой - лет пять назад «лишние» 700 КБ на дороге не валялись. Недаром Microsoft не рекомендует использовать FAT32 на разделах менее 512 МБ, так что отформатировать их во что-то отличное от FAT16 можно только сторонними средствами.

Последняя все еще актуальная сфера применения этой системы - телефоны, плееры, фотоаппараты и прочая «бытовуха», рассчитанная на поддержку карт SD или microSD, но не поддерживающая SDHC (сейчас такое уже не выпускается, но еще используется). Стандартной файловой системой для этих карт является как раз FAT16, поэтому большинство таких устройств никаких других и не поддерживают. В данном случае крайне желательно форматировать карту исключительно в устройстве, но не делать этого на компьютере. Причина в том, что Windows XP (по крайней мере, про нее это известно точно) иногда умудряется при явном указании ФС отформатировать карту под FAT32, после чего тот же фотоаппарат может ее не увидеть и даже не предложить возможности переформатировать. Решать проблему приходится какой-нибудь альтернативной программой форматирования - снова на компьютере.

FAT32 - разумный компромисс между совместимостью и прочими характеристиками

В отличие от предшественницы, FAT32 сейчас является наиболее массовой системой для внешних накопителей. 90% флэшек и более половины ВЖД поступают с заводов отформатированными именно под нее. Причина? По совместимости она лишь немногим хуже FAT16 - «за кадром остаются» только слишком уж древние операционные системы. Изначально поддержка FAT32 появилась в августе 1996 года вместе с Windows 95 OSR2 - если кто-то ныне и использует более старую ОС на своем компьютере, то вряд ли он будет подключать к нему современный внешний накопитель:) Причем в большинстве случаев - и не сможет.

Однако иногда использование FAT32 уже неудобно, из-за чего приходится использовать другие системы. Основным и самым существенным недостатком является то, что файлы не могут иметь размер более 4 ГиБ. Соответственно, хранить на накопителе образы DVD-дисков, очень большие архивы или некоторые фильмы - не выходит. Вернее, это можно сделать, но их приходится разбивать на части, а потом перед использованием «склеивать», что очень неудобно. Либо такое разбиение нужно предусмотреть заранее, что иногда делается, но далеко не всегда. Именно эта причина и вызывает необходимость использования других файловых систем - пусть имеющих меньшую поддержку со стороны оборудования, зато свободных от ограничения на размер файла. Судя по нашей конференции, кстати, эта проблема в последнее время стои́т достаточно остро - многие пользователи, купив внешний жесткий диск или флэшдрайв, буквально в первые же дни пытаются записать туда очень большой файл и… очень удивляются реакции системы, которая сообщает о недостатке места на носителе. А удивляться есть чему: по-хорошему, создатели ОС могли бы обрабатывать данную ситуацию более корректным образом - сообщая пользователю, что используемая файловая система непригодна для записи данного файла; а иначе все очень странно выглядит: свободного места десяток или даже сотня (а то и несколько сотен) гигабайт, а рапортуют о его нехватке при попытке записи файла размером всего 5-6 гигабайт. Мы, конечно, не думаем, что после публикации данной статьи соответствующие сообщения в форуме исчезнут, однако надеемся, что их, хотя бы, станет немного меньше:)

А вот размер тома, отформатированного под FAT32, теоретически может составлять до 8 ТиБ, что даже на сегодня очень много (не говоря уже о времени, когда система создавалась). Впрочем, не все так просто - компания Microsoft, скажем, считает, что тома более 32 ГиБ делать нежелательно. И не просто считает, а ввела соответствующие ограничения во встроенные программы форматирования Windows XP и более новых версий своей системы. Особенно печальный результат получается при попытке отформатировать, например, флэшку на 64 ГБ штатными средствами: для FAT32 (по мнению Microsoft) она слишком велика, а NTFS на сменных носителях (опять же - по мнению Microsoft) использовать не положено. Обе проблемы с легкостью решаются при помощи использования сторонних утилит форматирования. Так, например, простенькая консольная программа fat32format спокойно работает с томами до 2 ТБ (максимум для нединамических разделов Windows XP).

Не все гладко, кстати, и с Windows 98 или ME, несмотря на то что для них использование FAT32 безальтернативно. Дело в том, что некоторые встроенные в эти системы утилиты так и остались 16-разрядными. Ну а поскольку для таких программ максимальный размер адресуемого блока памяти равен примерно 16 МБ, то разделы, на которых таблица FAT имеет больший размер, им недоступны. В переводе на простой язык это означает невозможность полноценно использовать разделы больше ≈127,5 ГиБ (около 133 ГБ). Точнее, попробовать-то можно, но осторожно - не пытаясь «натравить» на такой раздел разнообразные дисковые утилиты: в лучшем случае (штатные средства) они просто не будут работать, а в худшем - могут и данные испортить. Либо, для страховки, можно просто разбивать накопители, которые планируется использовать и с Windows 9x, на разделы по сотне гигабайт. Заметим, что к внешним дискам эти ОС все равно более лояльны, чем к внутренним: получить под их управлением доступ к внутреннему винчестеру более чем на 137 ГБ - задача не совсем тривиальная, а вот для USB-накопителя бо́льшие объемы допустимы без особых проблем, за исключением неработоспособности дисковых утилит.

У других ОС таких проблем нет, да и описанные, в принципе, решаемы. Это и позволяет считать данную файловую систему оптимальной для тех случаев, когда требуется обеспечить максимальную совместимость внешнего накопителя со всем спектром компьютерной и бытовой техники. Особенно в тех случаях, когда хранение файлов размером более 4 ГБ не предполагается - тогда и заметных на практике недостатков не будет.

NTFS - быстрая, мощная, но избыточная

До последнего времени данная файловая система являлась единственным надежно работающим средством обойти «проблему больших файлов» на компьютерах под управлением Windows. Разумеется, не всякой версии Windows - линейка 9х в принципе не поддерживает NTFS, однако совместимость с этими системами важна уже, мягко говоря, не всем. Хуже то, что в бытовой технике поддержка NTFS встречается достаточно редко. Но в последнее время встречается. Кроме того, такие разделы поддерживают и компьютеры, работающие под управлением MacOS или Linux - как минимум, они умеют читать данные с таких разделов, а при установке специальных драйверов нередко начинает работать и функция записи. При помощи дополнительных драйверов, кстати, поддержку NTFS можно «прикрутить» и к Windows 98 или даже DOS.

Чем эта система хороша? Во-первых, ограничения как на размер тома, так и на размер файлов можно считать отсутствующими: и то, и другое может составлять до 16 экзабайт (для улучшения восприятия сообщим, что в одном экзабайте примерно миллион терабайт). Во-вторых, можно получить и более высокую скорость работы, особенно если попадаются каталоги, содержащие очень большое количество файлов - например, когда их несколько тысяч, разница в скорости работы FAT32 и NTFS заметна невооруженным глазом. В-третьих, эта система является более отказоустойчивой, как минимум из-за журналирования. В-четвертых, она способна работать с кластерами малого размера (точнее, не только способна, но и рассчитана на это), так что потери дискового пространства при хранении маленьких файлов у NTFS заметно меньше, чем у FAT32, не говоря уже об exFAT. В-пятых, достаточно удобной возможностью является встроенная поддержка сжатия данных. Разумеется, архивирование «на лету» куда менее эффективно, чем при помощи специальных программ-архиваторов с серьезными алгоритмами, но зато и выполняется прозрачным для пользователя образом, а при хранении хорошо сжимаемых данных дает заметный эффект. В общем, нет ничего удивительного, что на внутренних жестких дисках на данный момент NTFS является доминирующей системой.

Но на внешних у нее есть и недостатки. Самым безобидным из них является невозможность на практике получить многие преимущества системы. В частности, в настоящий момент редко кто переносит несжатые файлы: даже если говорить об офисных документах, то начиная с 2007 года они уже автоматически сжимаются при сохранении, а о фотографиях или видеофайлах и говорить нечего, так что встроенная поддержка сжатия оказывается не у дел (и даже чаще мешает, чем наоборот). Да и огромные количества файлов в каталоге встречаются редко - куда более типичным является десяток очень больших файлов. (Заодно это нивелирует и пользу от небольших кластеров.) Кроме того, улучшенная за счет кэширования производительность может оказаться палкой о двух концах - отформатированные под NTFS накопители крайне нежелательно отключать от компьютера, не воспользовавшись «Безопасным извлечением» или его аналогами. Все указанные неудобства свойственны для любых внешних накопителей, но для основанных на флэш-памяти есть и дополнительные. Во-первых, журналирование в данном случае рекомендуется отключать (поскольку ресурс массовых флэшек ограничен, так что «лишние» записи файлов им ни к чему). Во-вторых, быстродействие этих накопителей существенным образом зависит от выровненности всех структур ФС и кластеров по границам блоков стирания, что актуально и для FAT, но для NTFS, с ее небольшим размером кластера (а также любовью многих программ, в том числе и штатной утилиты форматирования Windows XP, смещать начало раздела на 63 сектора), может оказаться весьма критично. Да и вообще - как показывает опыт многих пользователей, наилучших скоростных результатов проще всего добиться, используя размер кластера в 32 Кбайт, т. е. не меньший, чем для FAT32.

Добавим к этому проблемы совместимости, после чего становится очевидным, что использование на сменных носителях именно NTFS чаще всего не слишком оправдано. Впрочем, как показано выше (и будет показано ниже), иногда этот вариант является безальтернативным.

exFAT - будущее флэш-накопителей и не только

В ситуации, когда FAT32 уже недостаточно, а NTFS - неоптимальна, неудивительно, что компания Microsoft в очередной раз (спустя 10 лет после появления FAT32) доработала FAT. Новая версия, получившая название exFAT, дебютировала в Windows CE 6, поскольку была наиболее актуальна для встроенных систем и бытовой техники, но позднее ее поддержка появилась и в настольных компьютерах. Чем новинка отличается от предыдущей версии?

Во-первых, снято ограничение на размер файла - подобно варианту «взрослых» систем, он может достигать 16 экзабайт. Во-вторых, увеличен размер кластера: если для предыдущих систем его приходилось удерживать в рамках 32 Кбайт (иногда применяя не всеми поддерживаемый вариант на 64 Кбайт), то в exFAT максимальный размер кластера составляет 32 МиБ, т. е. увеличился в 1024 раза. Разумеется, это крайне неудобно в случае файлов небольшого размера, однако они сейчас не слишком-то актуальны в качестве объекта транспортировки, зато размер таблицы размещения файлов удалось сократить соответствующим образом, а следовательно, снизились и требования к объему оперативной памяти для работы с томами большого размера. Естественно, для exFAT было отменено и волюнтаристское ограничение в 32 ГиБ для размера тома - не нужно оно более:) Первыми, кто этим воспользовался, кстати, оказались производители SD-карт памяти, достаточно жестко завязывающиеся в стандартах именно на FAT. Для спецификаций версий SD 1.х стандартной была FAT16 (что и определяло максимальную емкость карты в 2 ГБ), версия 2.0 ориентируется на FAT32 (карты SDHC до 32 ГБ), а в новой версии 3.0 для карт большого объема стандартом является именно exFAT (соответственно, карты SDXC заметных с точки зрения практического использования ограничений по емкости не имеют).

Нельзя также сказать, что все улучшения были только количественными - нашлись и качественные. В частности, отменены ограничения на количество файлов в каталоге. Не то чтобы они сильно мешали ранее, но все же - теперь, например, производителям фотоаппарата вовсе необязательно раскладывать фотографии по папкам, а можно спокойненько все записывать в корень карты. Более существенное улучшение - появилась битовая карта свободного места, что при правильном использовании позволяет уменьшить фрагментацию (ранее подбор наиболее подходящего свободного куска дискового пространства тоже был возможен, но ценой активного использования для каждой операции ресурсов системы). Журналирования, естественно, в рамках новой системы нет - слишком проста она для этого, да и для флэш-накопителей (на которые exFAT в первую очередь и нацелена) данная операция нежелательна. Но и потенциальную возможность повышения отказоустойчивости предусмотрели - возможна поддержка транзакций (естественно, если это поддерживает хост-устройство).

В общем, системка получилась на диво хороша - есть все нужное и нет ничего ненужного. Почему же до сих пор приходится мучиться с выбором, а не перейти на exFAT повсеместно? А потому, что для внешнего накопителя, как уже не раз было сказано, совместимость является той еще «священной коровой» - что толку в характеристиках используемой вами на флэшке файловой системы, если вы этой флэшкой сможете воспользоваться лишь на каждом десятом компьютере? exFAT до сих пор находится как раз в подобном положении. Гарантированно ее использовать можно только на компьютерах, работающих под управлением Windows Vista с SP1, Windows Server 2008 и Windows Seven. Вроде бы поддержка есть и в MacOS X 10.6, но тут, вероятно, потребуется апдейт системы - кстати, очень может быть, что Apple бы и не стала поддерживать новую разработку Microsoft, однако в последнюю линейку компьютеров компания решила встроить картоводы с поддержкой карт SDXC, а это в обязательном порядке потребовало и совместимости с exFAT. Для Linux придется самостоятельно интегрировать драйвер (причем их два: нормальный поддерживает только чтение, а запись - лишь использующий FUSE). Пользователям Windows XP повезло чуть больше - еще в начале 2009 года на Windows Update появилось официальное обновление KB955704, добавляющее к системам с SP2 и SP3 поддержку exFAT, однако оно не относится к обязательным, так что найдется далеко не на всех компьютерах. С бытовой техникой все столь же грустно, как с предыдущими версиями Windows - счастливым исключением являются немногие современные устройства с поддержкой SDXC (им деваться некуда), однако в остальных до сих пор проще встретить поддержку NTFS, нежели exFAT.

Прочая экзотика, иногда полезная

Нравится это кому или нет, но на данный момент времени большинство персональных компьютеров (порядка 95%) работает под управлением одной из систем семейства Windows, причем в основном эта доля распределена между Windows XP, Vista и Seven. Соответственно, наиболее актуальным является выбор между перечисленными файловыми системами, ведь только они без особых ухищрений поддерживаются этой тройкой. Задумываться о чем-либо ином есть смысл только в том случае, когда совместимость с Windows вас в принципе не волнует: несмотря на то что для поддержки большинства «родных» для прочих ОС файловых систем есть и драйверы для Windows, на каждый компьютер их ставить - дело неблагодарное. Поэтому вне зависимости от достоинств и недостатков какой-нибудь ext3 использовать ее можно разве что в том случае, когда внешний накопитель эксплуатируется в качестве стационарного или близком к тому виде.

Единственное частичное исключение из правил - файловая система HFS+, традиционная для MacOS X. И дело даже не в каких-то ее особых качествах, а в том, что эта операционка имеет пусть и небольшую, но монолитную долю рынка (чего не скажешь о разных иногда несовместимых друг с другом «линуксах»). Кроме того, несмотря на малую распространенность в мировом масштабе, есть страны, где ниша MacOS вполне ощутима. Это и ставит HFS+ в привилегированное положение. Вплоть до того, что некоторые производители продают специальные версии внешних винчестеров «for Mac», отформатированных под HFS+ (а не FAT32 или NTFS, которые встречаются чаще) прямо на заводе. Из этого не следует ни непригодность для Mac прочих винчестеров, ни невозможность использовать «маковские» на других компьютерах. Более того - для обмена данными между Маком и прочими системами вообще удобнее применять FAT32, гарантированно работающую в большинстве случаев. В чем плюс именно HFS+? В том, что встроенная система резервного копирования и восстановления информации Time Machine совместима только с дисками с этой файловой системой. Таким образом, если вы используете накопитель для резервирования данных на Маке, выбора не остается. Ну а если иногда возникает и необходимость подключения этого внешнего устройства к другим компьютерам, вполне логичным действием будет установка на них специальных драйверов с поддержкой HFS+. Впрочем, не самым худшим вариантом окажется и разбиение диска на пару разделов - небольшой с FAT32 позволит обмениваться данными различным системам, а раздел HFS+ даст возможность ни в чем себе не отказывать при работе под MacOS X.

Иногда покупка специальной версии внешнего винчестера «для Маков» может быть оправдана и для пользователя Windows - как правило, все эти модели снабжены интерфейсом FireWire (иногда и FireWire-800) в дополнение к USB 2.0, что может оказаться полезным. C файловой системой проблем не будет - с точки зрения Windows, отформатированные под HFS+ винчестеры никакой структуры данных не содержат, так что просто создаем раздел (или разделы) и форматируем нужным нам образом.

FAQ вместо заключения

В принципе, приведенной выше информации, на наш взгляд, вполне достаточно для того, чтобы в любом случае определиться с правильным выбором файловой системы на внешнем накопителе, а также решить возможные возникающие проблемы. Однако для простоты использования мы решили основные (наиболее часто возникающие) вопросы вынести в отдельный материал.

Почему смартфон может не запускать программы с карты памяти? Чем ext4 принципиально отличается от ext3? Почему флешка проживет дольше, если отформатировать ее в NTFS, а не в FAT? В чем главная проблема F2FS? Ответы кроются в особенностях строения файловых систем. О них мы и поговорим.

Введение

Файловые системы определяют способ хранения данных. От них зависит, с какими ограничениями столкнется пользователь, насколько быстрыми будут операции чтения и записи и как долго накопитель проработает без сбоев. Особенно это касается бюджетных SSD и их младших братьев - флешек. Зная эти особенности, можно выжать из любой системы максимум и оптимизировать ее использование для конкретных задач.

Выбирать тип и параметры файловой системы приходится всякий раз, когда надо сделать что-то нетривиальное. Например, требуется ускорить наиболее частые файловые операции. На уровне файловой системы этого можно достичь разными способами: индексирование обеспечит быстрый поиск, а предварительное резервирование свободных блоков позволит упростить перезапись часто изменяющихся файлов. Предварительная оптимизация данных в оперативной памяти снизит количество требуемых операций ввода-вывода.

Увеличить срок безотказной эксплуатации помогают такие свойства современных файловых систем, как отложенная запись, дедупликация и другие продвинутые алгоритмы. Особенно актуальны они для дешевых SSD с чипами памяти TLC, флешек и карт памяти.

Отдельные оптимизации существуют для дисковых массивов разных уровней: например, файловая система может поддерживать упрощенное зеркалирование тома, мгновенное создание снимков или динамическое масштабирование без отключения тома.

Черный ящик

Пользователи в основном работают с той файловой системой, которая предлагается по умолчанию операционной системой. Они редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках - просто используют рекомендованные параметры или вообще покупают предварительно отформатированные носители.

У поклонников Windows все просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или та же NTFS) на флешках. Если же стоит NAS и в нем используется какая-то другая файловая система, то для большинства это остается за гранью восприятия. К нему просто подключаются по сети и качают файлы, как из черного ящика.

На мобильных гаджетах с Android чаще всего встречается ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Яблочникам же и вовсе без разницы, что у них за файловая система: HFS+, HFSX, APFS, WTFS... для них существуют только красивые значки папок и файлов, нарисованные лучшими дизайнерами. Богаче всего выбор у линуксоидов, но прикрутить поддержку неродных для операционки файловых систем можно и в Windows, и в macOS - об этом чуть позже.

Общие корни

Различных файловых систем создано свыше сотни, но актуальными можно назвать чуть больше десятка. Хотя все они разрабатывались для своих специфических применений, многие в итоге оказались родственными на концептуальном уровне. Они похожи, поскольку используют однотипную структуру представления (мета)данных - B-деревья («би-деревья»).

Как и любая иерархическая система, B-дерево начинается с корневой записи и далее ветвится вплоть до конечных элементов - отдельных записей о файлах и их атрибутах, или «листьев». Основной смысл создания такой логической структуры был в том, чтобы ускорить поиск объектов файловой системы на больших динамических массивах - вроде жестких дисков объемом в несколько терабайт или еще более внушительных RAID-массивов.

B-деревья требуют гораздо меньше обращений к диску, чем другие типы сбалансированных деревьев, при выполнении тех же операций. Достигается это за счет того, что конечные объекты в B-деревьях иерархически расположены на одной высоте, а скорость всех операций как раз пропорциональна высоте дерева.

Как и другие сбалансированные деревья, B-trees имеют одинаковую длину путей от корня до любого листа. Вместо роста ввысь они сильнее ветвятся и больше растут в ширину: все точки ветвления у B-дерева хранят множество ссылок на дочерние объекты, благодаря чему их легко отыскать за меньшее число обращений. Большое число указателей снижает количество самых длительных дисковых операций - позиционирования головок при чтении произвольных блоков.

Концепция B-деревьев была сформулирована еще в семидесятых годах и с тех пор подвергалась различным улучшениям. В том или ином виде она реализована в NTFS, BFS, XFS, JFS, ReiserFS и множестве СУБД. Все они - родственники с точки зрения базовых принципов организации данных. Отличия касаются деталей, зачастую довольно важных. Недостаток у родственных файловых систем тоже общий: все они создавались для работы именно с дисками еще до появления SSD.

Флеш-память как двигатель прогресса

Твердотельные накопители постепенно вытесняют дисковые, но пока вынуждены использовать чуждые им файловые системы, переданные по наследству. Они построены на массивах флеш-памяти, принципы работы которой отличаются от таковых у дисковых устройств. В частности, флеш-память должна стираться перед записью, а эта операция в чипах NAND не может выполняться на уровне отдельных ячеек. Она возможна только для крупных блоков целиком.

Связано это ограничение с тем, что в NAND-памяти все ячейки объединены в блоки, каждый из которых имеет только одно общее подключение к управляющей шине. Не будем вдаваться в детали страничной организации и расписывать полную иерархию. Важен сам принцип групповых операций с ячейками и тот факт, что размеры блоков флеш-памяти обычно больше, чем блоки, адресуемые в любой файловой системе. Поэтому все адреса и команды для накопителей с NAND flash надо транслировать через слой абстрагирования FTL (Flash Translation Layer).

Совместимость с логикой дисковых устройств и поддержку команд их нативных интерфейсов обеспечивают контроллеры флеш-памяти. Обычно FTL реализуется именно в их прошивке, но может (частично) выполняться и на хосте - например, компания Plextor пишет для своих SSD драйверы, ускоряющие запись.

Совсем без FTL не обойтись, поскольку даже запись одного бита в конкретную ячейку приводит к запуску целой серии операций: контроллер отыскивает блок, содержащий нужную ячейку; блок считывается полностью, записывается в кеш или на свободное место, затем стирается целиком, после чего перезаписывается обратно уже с необходимыми изменениями.

Такой подход напоминает армейские будни: чтобы отдать приказ одному солдату, сержант делает общее построение, вызывает бедолагу из строя и командует остальным разойтись. В редкой ныне NOR-памяти организация была спецназовская: каждая ячейка управлялась независимо (у каждого транзистора был индивидуальный контакт).

Задач у контроллеров все прибавляется, поскольку с каждым поколением флеш-памяти техпроцесс ее изготовления уменьшается ради повышения плотности и удешевления стоимости хранения данных. Вместе с технологическими нормами уменьшается и расчетный срок эксплуатации чипов.

Модули с одноуровневыми ячейками SLC имели заявленный ресурс в 100 тысяч циклов перезаписи и даже больше. Многие из них до сих пор работают в старых флешках и карточках CF. У MLC корпоративного класса (eMLC) ресурс заявлялся в пределах от 10 до 20 тысяч, в то время как у обычной MLC потребительского уровня он оценивается в 3–5 тысяч. Память этого типа активно теснит еще более дешевая TLC, у которой ресурс едва дотягивает до тысячи циклов. Удерживать срок жизни флеш-памяти на приемлемом уровне приходится за счет программных ухищрений, и новые файловые системы становятся одним из них.

Изначально производители предполагали, что файловая система неважна. Контроллер сам должен обслуживать недолговечный массив ячеек памяти любого типа, распределяя между ними нагрузку оптимальным образом. Для драйвера файловой системы он имитирует обычный диск, а сам выполняет низкоуровневые оптимизации при любом обращении. Однако на практике оптимизация у разных устройств разнится от волшебной до фиктивной.

В корпоративных SSD встроенный контроллер - это маленький компьютер. У него есть огромный буфер памяти (полгига и больше), и он поддерживает множество методов повышения эффективности работы с данными, что позволяет избегать лишних циклов перезаписи. Чип упорядочивает все блоки в кеше, выполняет отложенную запись, производит дедупликацию на лету, резервирует одни блоки и очищает в фоне другие. Все это волшебство происходит абсолютно незаметно для ОС, программ и пользователя. С таким SSD действительно непринципиально, какая файловая система используется. Внутренние оптимизации оказывают гораздо большее влияние на производительность и ресурс, чем внешние.

В бюджетные SSD (и тем более - флешки) ставят куда менее умные контроллеры. Кеш в них урезан или отсутствует, а продвинутые серверные технологии не применяются вовсе. В картах памяти контроллеры настолько примитивные, что часто утверждается, будто их нет вовсе. Поэтому для дешевых устройств с флеш-памятью остаются актуальными внешние методы балансировки нагрузки - в первую очередь при помощи специализированных файловых систем.

От JFFS к F2FS

Одной из первых попыток написать файловую систему, которая бы учитывала принципы организации флеш-памяти, была JFFS - Journaling Flash File System. Изначально эта разработка шведской фирмы Axis Communications была ориентирована на повышение эффективности памяти сетевых устройств, которые Axis выпускала в девяностых. Первая версия JFFS поддерживала только NOR-память, но уже во второй версии подружилась с NAND.

Сейчас JFFS2 имеет ограниченное применение. В основном она все так же используется в дистрибутивах Linux для встраиваемых систем. Ее можно найти в маршрутизаторах, IP-камерах, NAS и прочих завсегдатаях интернета вещей. В общем, везде, где требуется небольшой объем надежной памяти.

Дальнейшей попыткой развития JFFS2 стала LogFS, у которой индексные дескрипторы хранились в отдельном файле. Авторы этой идеи - сотрудник немецкого подразделения IBM Йорн Энгель и преподаватель Оснабрюкского университета Роберт Мертенс. Исходный код LogFS выложен на GitHub . Судя по тому, что последнее изменение в нем было сделано четыре года назад, LogFS так и не обрела популярность.

Зато эти попытки подстегнули появление другой специализированной файловой системы - F2FS. Ее разработали в корпорации Samsung, на долю которой приходится немалая часть производимой в мире флеш-памяти. В Samsung делают чипы NAND Flash для собственных устройств и по заказу других компаний, а также разрабатывают SSD с принципиально новыми интерфейсами вместо унаследованных дисковых. Создание специализированной файловой системы с оптимизацией для флеш-памяти было с точки зрения Samsung давно назревшей необходимостью.

Четыре года назад, в 2012 году, в Samsung создали F2FS (Flash Friendly File System). Ее идея хороша, но реализация оказалась сыроватой. Ключевая задача при создании F2FS была проста: снизить число операций перезаписи ячеек и распределить нагрузку на них максимально равномерно. Для этого требуется выполнять операции с несколькими ячейками в пределах того же блока одновременно, а не насиловать их по одной. Значит, нужна не мгновенная перезапись имеющихся блоков по первому запросу ОС, а кеширование команд и данных, дозапись новых блоков на свободное место и отложенное стирание ячеек.

Сегодня поддержка F2FS уже официально реализована в Linux (а значит, и в Android), но особых преимуществ на практике она пока не дает. Основная особенность этой файловой системы (отложенная перезапись) привела к преждевременным выводам о ее эффективности. Старый трюк с кешированием даже одурачивал ранние версии бенчмарков, где F2FS демонстрировала мнимое преимущество не на несколько процентов (как ожидалось) и даже не в разы, а на порядки. Просто драйвер F2FS рапортовал о выполнении операции, которую контроллер только планировал сделать. Впрочем, если реальный прирост производительности у F2FS и невелик, то износ ячеек определенно будет меньше, чем при использовании той же ext4. Те оптимизации, которые не сможет сделать дешевый контроллер, будут выполнены на уровне самой файловой системы.

Экстенты и битовые карты

Пока F2FS воспринимается как экзотика для гиков. Даже в собственных смартфонах Samsung все еще применяется ext4. Многие считают ее дальнейшим развитием ext3, но это не совсем так. Речь идет скорее о революции, чем о преодолении барьера в 2 Тбайт на файл и простом увеличении других количественных показателей.

Когда компьютеры были большими, а файлы - маленькими, адресация не представляла сложностей. Каждому файлу выделялось энное количество блоков, адреса которых заносились в таблицу соответствия. Так работала и файловая система ext3, остающаяся в строю до сих пор. А вот в ext4 появился принципиально другой способ адресации - экстенты.

Экстенты можно представить как расширения индексных дескрипторов в виде обособленных наборов блоков, которые адресуются целиком как непрерывные последовательности. Один экстент может содержать целый файл среднего размера, а для крупных файлов достаточно выделить десяток-другой экстентов. Это куда эффективнее, чем адресовать сотни тысяч мелких блоков по четыре килобайта.

Поменялся в ext4 и сам механизм записи. Теперь распределение блоков происходит сразу за один запрос. И не заранее, а непосредственно перед записью данных на диск. Отложенное многоблочное распределение позволяет избавиться от лишних операций, которыми грешила ext3: в ней блоки для нового файла выделялись сразу, даже если он целиком умещался в кеше и планировался к удалению как временный.

Диета с ограничением FAT

Помимо сбалансированных деревьев и их модификаций, есть и другие популярные логические структуры. Существуют файловые системы с принципиально другим типом организации - например, линейным. Как минимум одной из них ты наверняка часто пользуешься.

Загадка

Отгадай загадку: в двенадцать она начала полнеть, к шестнадцати была глуповатой толстушкой, а к тридцати двум стала жирной, так и оставшись простушкой. Кто она?

Правильно, это история про файловую систему FAT. Требования совместимости обеспечили ей дурную наследственность. На дискетах она была 12-разрядной, на жестких дисках - поначалу 16-битной, а до наших дней дошла уже как 32-разрядная. В каждой следующей версии увеличивалось число адресуемых блоков, но в самой сути ничего не менялось.

Популярная до сих пор файловая система FAT32 появилась аж двадцать лет назад. Сегодня она все так же примитивна и не поддерживает ни списки управления доступом, ни дисковые квоты, ни фоновое сжатие, ни другие современные технологии оптимизации работы с данными.

Зачем же FAT32 нужна в наши дни? Все так же исключительно для обеспечения совместимости. Производители справедливо полагают, что раздел с FAT32 сможет прочитать любая ОС. Поэтому именно его они создают на внешних жестких дисках, USB Flash и картах памяти.

Как освободить флеш-память смартфона

Карточки microSD(HC), используемые в смартфонах, по умолчанию отформатированы в FAT32. Это основное препятствие для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы его преодолеть, нужно создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), поэтому любое приложение сможет работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела, но для этого можно запустить Linux (хотя бы в виртуалке) или продвинутую утилиту для работы с логической разметкой - например, MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов, чем в случае с одним разделом FAT32.

Как еще один аргумент в пользу выбора FAT32 часто называют отсутствие в ней журналирования, а значит, более быстрые операции записи и меньший износ ячеек памяти NAND Flash. На практике же использование FAT32 приводит к обратному и порождает множество других проблем.

Флешки и карты памяти как раз быстро умирают из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов, где расположены две цепочки файловых таблиц. Сохранил веб-страничку целиком, и она перезаписалась раз сто - с каждым добавлением на флешку очередной мелкой гифки. Запустил портейбл-софт? Он насоздавал временных файлов и постоянно меняет их во время работы. Поэтому гораздо лучше использовать на флешках NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Мелкие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а ее расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Вдобавок благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее.

INFO

Для FAT32 и NTFS теоретические ограничения по уровню вложенности не указаны, но на практике они одинаковые: в каталоге первого уровня можно создать только 7707 подкаталогов. Любители поиграть в матрешки оценят.

Другая проблема, с которой сталкивается большинство пользователей, - на раздел с FAT32 невозможно записать файл больше 4 Гбайт. Причина заключается в том, что в FAT32 размер файла описывается 32 битами в таблице размещения файлов, а 2^32 (минус единица, если быть точным) как раз дают четыре гига. Получается, что на свежекупленную флешку нельзя записать ни фильм в нормальном качестве, ни образ DVD.

Копирование больших файлов еще полбеды: при попытке сделать это ошибка хотя бы видна сразу. В других ситуациях FAT32 выступает в роли бомбы замедленного действия. Например, ты скопировал на флешку портейбл-софт и на первых порах пользуешься им без проблем. Спустя длительное время у одной из программ (допустим, бухгалтерской или почтовой) база данных раздувается, и... она просто перестает обновляться. Файл не может быть перезаписан, поскольку достиг лимита в 4 Гбайт.

Менее очевидная проблема заключается в том, что в FAT32 дата создания файла или каталога может быть задана с точностью до двух секунд. Этого недостаточно для многих криптографических приложений, использующих временные метки. Низкая точность атрибута «дата» - еще одна причина того, почему FAT32 не рассматривается как полноценная файловая система с точки зрения безопасности. Однако ее слабые стороны можно использовать и в своих целях. Например, если скопировать на том FAT32 любые файлы с раздела NTFS, то они очистятся от всех метаданных, а также унаследованных и специально заданных разрешений. FAT просто не поддерживает их.

exFAT

В отличие от FAT12/16/32, exFAT разрабатывалась специально для USB Flash и карт памяти большого (≥ 32 Гбайт) объема. Extended FAT устраняет упомянутый выше недостаток FAT32 - перезаписывание одних и тех же секторов при любом изменении. Как у 64-разрядной системы, у нее нет практически значимых лимитов на размер одного файла. Теоретически он может иметь длину в 2^64 байт (16 Эбайт), а карточки такого объема появятся нескоро.

Еще одно принципиальное отличие exFAT - поддержка списков контроля доступа (ACL). Это уже не та простушка из девяностых, однако внедрению exFAT мешает закрытость формата. Поддержка exFAT полноценно и легально реализована только в Windows (начиная с XP SP2) и OS X (начиная с 10.6.5). В Linux и *BSD она поддерживается либо с ограничениями, либо не вполне законно. Microsoft требует лицензировать использование exFAT, и в этой области много правовых споров.

Btrfs

Еще один яркий представитель файловых систем на основе B-деревьев называется Btrfs. Эта ФС появилась в 2007 году и изначально создавалась в Oracle с прицелом на работу с SSD и RAID. Например, ее можно динамически масштабировать: создавать новые индексные дескрипторы прямо в работающей системе или разделять том на подтома без выделения им свободного места.

Реализованный в Btrfs механизм копирования при записи и полная интеграция с модулем ядра Device mapper позволяют делать практически мгновенные снапшоты через виртуальные блочные устройства. Предварительное сжатие данных (zlib или lzo) и дедупликация ускоряют основные операции, заодно продлевая время жизни флеш-памяти. Особенно это заметно при работе с базами данных (достигается сжатие в 2–4 раза) и мелкими файлами (они записываются упорядоченно крупными блоками и могут храниться непосредственно в «листьях»).

Также Btrfs поддерживает режим полного журналирования (данных и метаданных), проверку тома без размонтирования и множество других современных фич. Код Btrfs опубликован под лицензией GPL. Эта файловая система поддерживается в Linux как стабильная начиная с версии ядра 4.3.1.

Бортовые журналы

Практически все более-менее современные файловые системы (ext3/ext4, NTFS, HFSX, Btrfs и другие) относят к общей группе журналируемых, поскольку они ведут учет вносимых изменений в отдельном логе (журнале) и сверяются с ним в случае сбоя при выполнении дисковых операций. Однако степень подробности ведения журналов и отказоустойчивость у этих файловых систем разные.

Еxt3 поддерживает три режима ведения журнала: с обратной связью, упорядоченный и полное журналирование. Первый режим подразумевает запись только общих изменений (метаданных), выполняемую асинхронно по отношению к изменениям самих данных. Во втором режиме выполняется та же запись метаданных, но строго перед внесением любых изменений. Третий режим эквивалентен полному журналированию (изменений как в метаданных, так и в самих файлах).

Целостность данных обеспечивает только последний вариант. Остальные два лишь ускоряют выявление ошибок в ходе проверки и гарантируют восстановление целостности самой файловой системы, но не содержимого файлов.

Журналирование в NTFS похоже на второй режим ведения лога в ext3. В журнал записываются только изменения в метаданных, а сами данные в случае сбоя могут быть утеряны. Такой метод ведения журнала в NTFS задумывался не как способ достижения максимальной надежности, а лишь как компромисс между быстродействием и отказоустойчивостью. Именно поэтому люди, привыкшие к работе с полностью журналируемыми системами, считают NTFS псевдожурналируемой.

Реализованный в NTFS подход в чем-то даже лучше используемого по умолчанию в ext3. В NTFS дополнительно периодически создаются контрольные точки, которые гарантируют выполнение всех отложенных ранее дисковых операций. Контрольные точки не имеют ничего общего с точками восстановления в \System Volume Infromation\ . Это просто служебные записи в логе.

Практика показывает, что такого частичного журналирования NTFS в большинстве случаев хватает для беспроблемной работы. Ведь даже при резком отключении питания дисковые устройства не обесточиваются мгновенно. Блок питания и многочисленные конденсаторы в самих накопителях обеспечивают как раз тот минимальный запас энергии, которого хватает на завершение текущей операции записи. Современным SSD при их быстродействии и экономичности такого же количества энергии обычно хватает и на выполнение отложенных операций. Попытка же перейти на полное журналирование снизила бы скорость большинства операций в разы.

Подключаем сторонние ФС в Windows

Использование файловых систем лимитировано их поддержкой на уровне ОС. Например, Windows не понимает ext2/3/4 и HFS+, а использовать их порой надо. Сделать это можно, добавив соответствующий драйвер.

WARNING

Большинство драйверов и плагинов для поддержки сторонних файловых систем имеют свои ограничения и не всегда работают стабильно. Они могут конфликтовать с другими драйверами, антивирусами и программами виртуализации.

Открытый драйвер для чтения и записи на разделы ext2/3 с частичной поддержкой ext4. В последней версии поддерживаются экстенты и разделы объемом до 16 Тбайт. Не поддерживаются LVM, списки контроля доступа и расширенные атрибуты.

Существует бесплатный плагин для Total Commander. Поддерживает чтение разделов ext2/3/4.

coLinux - открытый и бесплатный порт ядра Linux. Вместе с 32-битным драйвером он позволяет запускать Linux в среде Windows с 2000 по 7 без использования технологий виртуализации. Поддерживает только 32-битные версии. Разработка 64-битной модификации была отменена. сoLinux позволяет в том числе организовать из Windows доступ к разделам ext2/3/4. Поддержка проекта приостановлена в 2014 году.

Возможно, в Windows 10 уже есть встроенная поддержка характерных для Linux файловых систем, просто она скрыта. На эти мысли наводит драйвер уровня ядра Lxcore.sys и сервис LxssManager, который загружается как библиотека процессом Svchost.exe. Подробнее об этом смотри в докладе Алекса Ионеску «Ядро Линукс, скрытое внутри Windows 10», с которым он выступил на Black Hat 2016.

ExtFS for Windows - платный драйвер, выпускаемый компанией Paragon. Он работает в Windows с 7 по 10, поддерживает доступ к томам ext2/3/4 в режиме чтения и записи. Обеспечивает почти полную поддержку ext4 в Windows.

HFS+ for Windows 10 - еще один проприетарный драйвер производства Paragon Software. Несмотря на название, работает во всех версиях Windows начиная с XP. Предоставляет полный доступ к файловым системам HFS+/HFSX на дисках с любой разметкой (MBR/GPT).

WinBtrfs - ранняя разработка драйвера Btrfs для Windows. Уже в версии 0.6 поддерживает доступ к томам Btrfs как на чтение, так и на запись. Умеет обрабатывать жесткие и символьные ссылки, поддерживает альтернативные потоки данных, ACL, два вида компрессии и режим асинхронного чтения/записи. Пока WinBtrfs не умеет использовать mkfs.btrfs, btrfs-balance и другие утилиты для обслуживания этой файловой системы.

Возможности и ограничения файловых систем: сводная таблица

Фай-ло-вая сис-те-ма	Мак-си-маль-ный раз-мер тома	Пре-дель-ный раз-мер одного файла	Дли-на собст-вен-ного имени файла	Дли-на пол-но-го имени файла (вклю-чая путь от корня)	Пре-дель-ное число файлов и/или ката-ло-гов	Точ-ность ука-за-ния даты файла/ката-ло-га	Права дос-ту-па	Жёсткие ссылки	Сим-воль-ные ссылки	Мгно-вен-ные снимки (snap-shots)	Сжа-тие дан-ных в фоне	Шиф-ро-ва-ние дан-ных в фоне	Деду-пли-ка-ция дан-ных
FAT16	2 ГБ секторами по 512 байт или 4 ГБ кластерами по 64 КБ	2 ГБ	255 байт с LFN	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
FAT32	8 ТБ секторами по 2 КБ	4 ГБ (2^32 - 1 байт)	255 байт с LFN	до 32 подкаталогов с CDS	65460	10 мс (создание) / 2 с (изменение)	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
exFAT	≈ 128 ПБ (2^32-1 кластеров по 2^25-1 байт) теоретически / 512 ТБ из-за сторонних ограничений	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)			2796202 в каталоге	10 мс	ACL	нет	нет	нет	нет	нет	нет
NTFS	256 ТБ кластерами по 64 КБ или 16 ТБ кластерами по 4 КБ	16 ТБ (Win 7) / 256 ТБ (Win 8)	255 символов Unicode (UTF-16)	32760 символов Unicode, но не более 255 символов в каждом элементе	2^32-1	100 нс	ACL	да	да	да	да	да	да
HFS+	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^32-1	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	да	да	нет
APFS	8 ЭБ (2^63 байт)	8 ЭБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	2^63	1 нс	Unix, ACL	да	да	да	да	да	да
Ext3	32 ТБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	2 ТБ (теоретически) / 16 ГБ у старых программ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	-	1 с	Unix, ACL	да	да	нет	нет	нет	нет
Ext4	1 ЭБ (теоретически) / 16 ТБ кластерами по 4 КБ (из-за ограничений утилит e2fs programs)	16 ТБ	255 символов Unicode (UTF-16)	отдельно не ограничивается	4 млрд.	1 нс	POSIX	да	да	нет	нет	да	нет
F2FS	16 ТБ	3,94 ТБ	255 байт	отдельно не ограничивается	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	нет	нет	да	нет
BTRFS	16 ЭБ (2^64 - 1 байт)	16 ЭБ	255 символов ASCII	2^17 байт	-	1 нс	POSIX, ACL	да	да	да	да	да	да

Почему смaртфон может не запускать программы с карты памяти? Чем ext4 принципиально отличается от ext3? Почему флешка проживет дольше, если отформатировать ее в NTFS, а не в FAT? В чем главная проблема F2FS? Ответы кроются в особенностях строения файловых систем. О них мы и поговорим.

Введение

Файловые системы определяют способ хранения данных. От них зависит, с какими ограничениями столкнeтся пользователь, насколько быстрыми будут операции чтения и записи и как долго накопитель проработает без сбоев. Особенно это касается бюджетных SSD и их младших братьев - флешек. Зная эти особенности, можно выжать из любой системы максимум и оптимизировать ее использование для конкретных задач.

Выбирать тип и параметры файловой системы приходится всякий раз, когда надо сделать что-то нетривиальное. Например, требуется ускорить наиболее частые файловые операции. На уровне файлoвой системы этого можно достичь разными способами: индексирование обеспечит быстрый поиск, а предварительное резервирование свободных блоков позволит упростить перезапись часто изменяющихся файлов. Предварительная оптимизация данных в оперативной памяти снизит количество требуемых операций ввода-вывода.

Отдельные оптимизации существуют для дисковых массивов разных уровней: напримeр, файловая система может поддерживать упрощенное зеркалирование тома, мгновенное создание снимков или динамическое масштабирование без отключения тома.

Черный ящик

Пользователи в основном работают с той файловой системой, которая предлагается по умолчанию операционной системой. Они редко создают нoвые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках - просто используют рекомендованные параметры или вообще покупают предварительно отформатированные носители.

На мобильных гаджетах с Android чаще всего встречается ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Яблочникам же и вовсе без разницы, что у них за файлoвая система: HFS+, HFSX, APFS, WTFS… для них существуют только красивые значки папок и файлов, нарисованные лучшими дизайнерами. Богаче всего выбор у линуксоидов, но прикрутить поддержку неродных для операционки файловых систем можно и в Windows, и в macOS - об этом чуть позже.

Общие корни

Как и любая иерархическая система, B-дерево начинается с корневой записи и далее ветвится вплоть до конечных элементов - отдельных записей о файлах и их атрибутах, или «листьев». Основнoй смысл создания такой логической структуры был в том, чтобы ускорить поиск объектов файловой сиcтемы на больших динамических массивах - вроде жестких дисков объемом в нeсколько терабайт или еще более внушительных RAID-массивов.

B-деревья требуют гораздо меньше обpащений к диску, чем другие типы сбалансированных деревьев, при выполнении тех же операций. Достигается это за счет того, что конечные объекты в B-деревьях иерархически расположены на одной высоте, а скорость всех операций как раз пропорциональна высоте дерева.

Как и другие сбалансированные деревья, B-trees имеют одинаковую длину путей от корня до любого листа. Вместо роста ввысь они сильнeе ветвятся и больше растут в ширину: все точки ветвления у B-дерева хранят множество ссылок на дочерние объекты, благодаря чему их легко отыскать за меньшее число обращений. Большое число указателей снижает количество самых длительных дисковых операций - позиционирования головок при чтении произвольных блоков.

Концепция B-деревьев была сформулирована еще в семидесятых годах и с тех пор подвергалась различным улучшениям. В том или ином виде она реализована в NTFS, BFS, XFS, JFS, ReiserFS и множестве СУБД. Все они - родственники с точки зрения базовых принципов организaции данных. Отличия касаются деталей, зачастую довольно важных. Недостаток у родственных файловых систем тоже общий: все они создавались для работы именно с дисками еще до появления SSD.

Флеш-память как двигатель прогресса

Твердотельные накопители постепенно вытесняют дисковые, но пока вынуждены использовать чуждые им файловые системы, переданные по наследству. Они построены на массивах флеш-памяти, принципы работы которой отличаются от таковых у дисковых устройств. В частности, флеш-память должна стираться перед записью, а эта операция в чипах NAND не может выполняться на уровне отдельных ячеек. Она вoзможна только для крупных блоков целиком.

Связано это ограничение с тем, что в NAND-памяти все ячейки объединены в блоки, каждый из которых имеет только одно общее подключение к управляющей шине. Не будем вдаваться в детали страничной организации и расписывать полную иерархию. Важен сам принцип групповых операций с ячейками и тот факт, что размеры блоков флеш-памяти обычно больше, чем блоки, адресуемые в любой файловой системе. Поэтому вcе адреса и команды для накопителей с NAND flash надо транслировать через слой абстрагирования FTL (Flash Translation Layer).

Совсем без FTL не обойтись, поскольку даже запись одного бита в конкретную ячейку приводит к запуску целой серии операций: контроллер отыскивает блок, содержащий нужную ячейку; блoк считывается полностью, записывается в кеш или на свободное место, затем стирается целиком, после чего перезаписывается обратно уже с необходимыми изменениями.

Задач у контроллеров все прибавляется, поскольку с каждым поколением флеш-памяти техпроцесс ее изготовления уменьшается ради повышения плoтности и удешевления стоимости хранения данных. Вместе с технологичеcкими нормами уменьшается и расчетный срок эксплуатации чипов.

Модули с одноуровневыми ячейками SLC имeли заявленный ресурс в 100 тысяч циклов перезаписи и даже больше. Многие из них до сих пoр работают в старых флешках и карточках CF. У MLC корпоративного класса (eMLC) ресурс заявлялся в пределах от 10 до 20 тысяч, в то время как у обычной MLC потребительского уровня он оценивается в 3–5 тысяч. Память этого типа активно теснит еще более дешевая TLC, у которой ресурс едва дотягивает до тысячи циклов. Удерживать срок жизни флеш-памяти на приемлемом уровне приходится за счет программных ухищрений, и новые файловые системы становятся одним из них.

Изначально пpоизводители предполагали, что файловая система неважна. Контроллер сам должен обслуживать недолговечный массив ячеек памяти любого типа, распределяя между ними нагрузку оптимальным образом. Для драйвера файловой системы он имитирует обычный диск, а сам выполняет низкоуровневые оптимизации при любом обращении. Однако на практике оптимизация у разных устройств разнится от волшебной до фиктивной.

В корпоративных SSD встроенный контроллер - это маленький компьютер. У него есть огромный буфер памяти (полгига и больше), и он поддeрживает множество методов повышения эффективности работы с данными, что позволяет избегать лишних циклов перезаписи. Чип упорядочивает все блоки в кеше, выполняет отложенную запись, производит дедупликацию на лету, резервирует одни блоки и очищает в фоне другие. Все это волшебство происходит абсолютно незаметно для ОС, программ и пользователя. С таким SSD действительно непринципиально, какая файловая система используется. Внутренние оптимизации оказывают гораздо большее влияние на производительность и ресурс, чем внешние.

В бюджетные SSD (и тем более - флешки) ставят куда менее умные контроллеры. Кеш в них урезан или отсутствует, а продвинутые серверные технологии не пpименяются вовсе. В картах памяти контроллеры настолько примитивные, что часто утверждается, будто их нет вовсе. Поэтому для дешевых устройств с флеш-памятью остаются актуальными внешние методы балансировки нагрузки - в первую очередь при помощи специализированных файловых систем.

От JFFS к F2FS

Одной из первых попыток написать файловую систему, которая бы учитывала принципы оpганизации флеш-памяти, была JFFS - Journaling Flash File System. Изначально эта разработка шведской фирмы Axis Communications была ориентирована на повышение эффективности памяти сетевых устройств, которые Axis выпускала в девяностых. Первая версия JFFS поддерживала только NOR-память, но уже во второй версии подружилась с NAND.

Дальнейшей попыткой развития JFFS2 стала LogFS, у которой индекcные дескрипторы хранились в отдельном файле. Авторы этой идеи - сотрудник немецкого подразделения IBM Йорн Энгель и преподаватель Оснабрюкского университета Роберт Мертенс. Исходный код LogFS выложен на GitHub . Судя по тому, что последнее изменение в нем было сделано четыре года назад, LogFS так и не обрела популярность.

Зато эти попытки подстегнули появление другой специализированной файловой системы - F2FS. Ее разработали в корпорации Samsung, на долю которой приходится немалая часть производимой в мире флеш-памяти. В Samsung делают чипы NAND Flash для собственных устройств и по заказу других компаний, а также разрабатывают SSD с принципиально новыми интерфейсами вместо унаслeдованных дисковых. Создание специализированной файлoвой системы с оптимизацией для флеш-памяти было с точки зрения Samsung давно назревшей нeобходимостью.

Четыре года назад, в 2012 году, в Samsung создали F2FS (Flash Friendly File System). Ее идея хороша, но реализaция оказалась сыроватой. Ключевая задача при создании F2FS была проста: снизить число операций перезаписи ячеек и распределить нагрузку на них максимально равномерно. Для этого требуется выполнять операции с несколькими ячейками в пределах того же блока одновременно, а не насиловать их по одной. Значит, нужна не мгновенная перезапись имeющихся блоков по первому запросу ОС, а кеширование команд и данных, дозапись новых блоков на свободное место и отложенное стирание ячеек.

Сегодня поддержка F2FS уже официально реализована в Linux (а значит, и в Android), но особых преимуществ на практике она пока не дает. Основная особенность этой файловой системы (отложенная перезапись) привела к преждевременным выводам о ее эффективности. Старый трюк с кешированиeм даже одурачивал ранние версии бенчмарков, где F2FS демонстрировала мнимое преимущество не на несколько процентов (как ожидалось) и даже не в разы, а на порядки. Просто драйвер F2FS рапортовал о выполнении операции, которую контроллер только планировал сделать. Впрочем, если реальный прирост производительности у F2FS и невелик, то износ ячеек определенно будет меньше, чем при использовании той же ext4. Те оптимизации, которые не сможет сделать дешевый контроллер, будут выполнены на уровне самой файловой системы.

Экстенты и битовые карты

Пока F2FS воспринимается как экзотика для гиков. Даже в собственных смартфонах Samsung вcе еще применяется ext4. Многие считают ее дальнейшим развитием ext3, но это не совсем так. Речь идет скорее о революции, чем о преодолении барьера в 2 Тбайт на файл и простом увеличении других количественных показателей.

Когда компьютеры были большими, а файлы - маленькими, адресация не представляла сложностей. Каждому файлу выделялось энное количество блоков, адреса кoторых заносились в таблицу соответствия. Так работала и файловая система ext3, остающаяся в строю до сих пор. А вот в ext4 появился принципиально другой способ адресации - экстенты.

Диета с ограничением FAT

Помимо сбалансированных деревьев и их модификаций, есть и другие популярные логические структуры. Существуют файловые сиcтемы с принципиально другим типом организации - например, линeйным. Как минимум одной из них ты наверняка часто пользуешься.

Загадка

Отгадай загадку: в двeнадцать она начала полнеть, к шестнадцати была глуповатой толстушкой, а к тридцати двум стала жиpной, так и оставшись простушкой. Кто она?

Как освободить флеш-память смaртфона

Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела, но для этого можно запустить Linux (хотя бы в виртуалке) или продвинутую утилиту для работы с логической разметкой - например, MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариaнтов, чем в случае с одним разделом FAT32.

Флешки и карты памяти как раз быстро умирают из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов, где расположены две цепочки файловых таблиц. Сохранил веб-страничку целиком, и она перезаписалась раз сто - с каждым добавлением на флешку очередной мелкой гифки. Запустил портейбл-софт? Он насоздавал временных файлов и постоянно меняет их во время работы. Поэтому гораздо лучше использовать на флешках NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Мелкие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а ее расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Вдобавок благодаря индeксации на NTFS поиск выполняется быстрее.

Копирование больших файлов еще полбеды: при попытке сделать это ошибка хотя бы видна сразу. В других ситуациях FAT32 выступает в роли бомбы замедленного действия. Например, ты скопировал на флешку портейбл-софт и на первых пoрах пользуешься им без проблем. Спустя длительное время у одной из программ (допустим, бухгaлтерской или почтовой) база данных раздувается, и… она просто переcтает обновляться. Файл не может быть перезаписан, поскольку достиг лимита в 4 Гбaйт.

Менее очевидная проблема заключается в том, что в FAT32 дата создания файла или каталога может быть задана с точностью до двух секунд. Этого недостаточно для многих криптографических приложений, использующих временные метки. Низкая точность атрибута «дата» - еще одна причина того, почему FAT32 не рассматривается как полноценная файловая система с точки зрения безопасности. Однако ее слaбые стороны можно использовать и в своих целях. Например, если скопировать на том FAT32 любые файлы с раздела NTFS, то они очистятся от всех метаданных, а также унаследованных и специально заданных разрешений. FAT просто не поддерживает их.

exFAT

В отличие от FAT12/16/32, exFAT разрабатывалась специально для USB Flash и карт памяти большого (≥ 32 Гбайт) объема. Extended FAT устраняет упомянутый выше недостаток FAT32 - перезаписывание одних и тех же секторов при любом изменении. Как у 64-разрядной системы, у нее нет практически значимых лимитов на размер одного файла. Теоретически он может иметь длину в 2^64 бaйт (16 Эбайт), а карточки такого объема появятся нескоро.

Btrfs

Еще один яркий представитель файловых систем на основе B-деревьев называется Btrfs. Эта ФС появилась в 2007 году и изначально создавалась в Oracle с прицелом на работу с SSD и RAID. Например, ее можно динамически масштабировать: создавать новые индeксные дескрипторы прямо в работающей системе или разделять том на подтома без выделения им свободного места.

Реализованный в Btrfs механизм копирования при записи и полная интеграция с модулем ядра Device mapper позволяют делать практически мгновенные снапшоты через виртуальные блочные устройства. Предварительное сжатие данных (zlib или lzo) и дедупликaция ускоряют основные операции, заодно продлевая время жизни флеш-памяти. Особенно это заметно при работе с базами данных (достигается сжатие в 2–4 раза) и мелкими файлами (они записываются упорядоченно крупными блоками и могут храниться непосредственно в «листьях»).

Бортовые журнaлы

Еxt3 поддерживает три режима ведения журнала: с обратной связью, упорядоченный и полное журналирование. Первый режим подразумевает запись только общих изменений (метаданных), выполняемую асинхронно по отношению к изменениям самих данных. Во втором режиме выполняется та же запись метаданных, но строго перед внесением любых изменений. Третий режим эквивалентен полному журналированию (измeнений как в метаданных, так и в самих файлах).

Целостность данных обеспечивaет только последний вариант. Остальные два лишь ускоряют выявление ошибок в ходе проверки и гарантиpуют восстановление целостности самой файловой системы, но не содержимoго файлов.

Журналирование в NTFS похоже на второй режим ведения лога в ext3. В журнал записываются только изменения в метаданных, а сами данные в случае сбоя могут быть утеряны. Такой метод ведения журнала в NTFS задумывался не как способ достижения максимальной надежности, а лишь как компромисс между быстродействием и отказоустойчивoстью. Именно поэтому люди, привыкшие к работе с полностью журналируемыми системами, считают NTFS псевдожурналируемой.

Реализованный в NTFS подход в чем-то даже лучше используемого по умолчанию в ext3. В NTFS дополнительно периодически создаются контрольные точки, которые гарантируют выполнение всех отложенных ранее дисковых операций. Контрольные точки не имеют ничего общего с точками восстановления в System Volume Infromation . Это просто служебные записи в логе.

Практика показывает, что такого частичного журналирования NTFS в большинстве случаев хватает для бeспроблемной работы. Ведь даже при резком отключении питания дисковые устройства не обесточиваются мгновенно. Блок питания и многочисленные конденсаторы в самих накопителях обеспечивают как раз тот минимальный запас энергии, которого хватает на завершение текущей операции записи. Современным SSD при их быстродействии и экономичности такого же количества энергии обычно хватает и на выполнение отложенных операций. Попытка же перейти на полное журналирование снизила бы скорость большинства операций в разы.

Подключаем сторонние ФС в Windows

Использование файловых систем лимитировано их поддержкой на уровне ОС. Например, Windows не понимает ext2/3/4 и HFS+, а иcпользовать их порой надо. Сделать это можно, добавив соответствующий драйвер.

Открытый драйвер для чтения и записи на разделы ext2/3 с частичной поддeржкой ext4. В последней версии поддерживаются экстенты и разделы объемом до 16 Тбайт. Не поддерживаются LVM, списки контроля доступа и расширенные атрибуты.

Существует бесплатный плагин для Total Commander. Поддерживает чтение разделов ext2/3/4.

coLinux - открытый и бесплатный порт ядра Linux. Вместе с 32-битным драйвером он позволяет запускать Linux в среде Windows с 2000 по 7 без использования технологий виртуализации. Поддерживает только 32-битные версии. Разработка 64-битной модификации была отменена. сoLinux позволяет в том чиcле организовать из Windows доступ к разделам ext2/3/4. Поддержка проекта приостановлена в 2014 году.

HFS+ for Windows 10 - еще один проприетарный драйвер произвoдства Paragon Software. Несмотря на название, работает во всех версиях Windows начинaя с XP. Предоставляет полный доступ к файловым системам HFS+/HFSX на дисках с любой размeткой (MBR/GPT).

WinBtrfs - ранняя разработка драйвера Btrfs для Windows. Уже в версии 0.6 поддерживает доступ к томaм Btrfs как на чтение, так и на запись. Умеет обрабатывать жесткие и символьные ссылки, поддерживает альтернативные потоки данных, ACL, два вида компрессии и режим асинхронного чтения/записи. Пока WinBtrfs не умеет использовать mkfs.btrfs, btrfs-balance и другие утилиты для обслуживания этой файловой системы.

Для обеспечения нормальной работы персонального компьютера, требуется установка многих необходимых программ и сервисов.

Что такое файловая система

Незаменимым элементом операционной системы являются файловые системы, которые обеспечивают доступ к информации на диске при одновременном запуске нескольких процессов. То есть они осуществляют удобный доступ к данным, содержащимся на диске, при этом устраняя возможные некорректные ситуации.

Файловой системе также доступен разноплановый доступ к информации: от ее сортировки и перемещения до удаления. Закономерно возникает вопрос: какая файловая система лучше, насколько она удобна в эксплуатации и каковы ее гарантии?

Файловая система NTFS

Еще одна очень важная характеристика: эта система при изменении данных либо позитивно завершает процесс, либо вообще его отменяет, что не позволяет внести сумятицу и неразбериху в поле информации. NTFS имеет полезную опцию – сжатие файлов. При этом ее можно применять к отдельным файлам, что совершенно не влияет на качество данных или на работу с ними.

Многие специалисты, рассуждая на тему того, какая файловая система лучше по части безопасности, называют именно NTFS, поскольку эта система содержит в себе множество средств, направленных на разграничение прав объектов. Как часто бывает, теория бессильна перед практикой: в реальном использовании система далека от идеальной.

Файловая система FAT

В связи со всем вышесказанным, FAT удовлетворяла потребности операционных систем раннего этапа развития. Но когда появился доступ к большим объемам памяти, из-за своих ограничений она сдала свои позиции более прогрессивным системам. Но при этом FAT более эффективно работает с небольшими каталогами файлов и идеально подходит для медленных дисков.

С файлами большого объема такая система, к сожалению, не справится, постоянно будут возникать различные трудности. В выборе файловой системы важно определиться с задачами, которые вы перед ними будете ставить. Поэтому, если возникает необходимость работы с крупногабаритными дисками, забитыми информаций и на высокой скорости, то в таком случае лучше подойдет система NTFS. Для пользователей, которые намерены выполнять обычные действия с данными и не имеющих необходимости использовать сложные программы, в такой ситуации более эффективной будет как раз файловая система FAT.

Файловая система для флешки

Лучшая файловая система для флешки – довольно актуальная проблема, поскольку такой вид хранения информации на сегодня наиболее популярен, многие считают, что для флеш-накопителя нужна какая-то особенная система. Многие пользователи неплохо отзываются о системе UDF, поскольку она без особых трудностей поддерживается практически всеми современными операционными системами. Но и выше описанные файловые системы также прекрасно справятся со всеми нужными действиями. Поэтому можете смело делать выбор в пользу любой из них, т.к они все обладают высокой степенью безопасности и эффективности в использовании.