Ein Dateisystem ist ein System, um Dateien in einem Computer zu speichern und zu verwalten. Die meisten Betriebssysteme verwenden Dateisysteme. Historisch wurden Dateisysteme zur Organisation des Zugriffs auf Massenspeicher wie Festplattenlaufwerke entwickelt. Jede Datei belegte einen Teil des Massenspeichers. Das Konzept der Dateisysteme wurde dann abstrahiert, so dass auch Zugriffe auf Dateien im Netz und Geräte, die virtuell als Datei verwaltet werden, über Dateisysteme geregelt werden können.
Dateien haben in einem Dateisystem fast immer mindestens einen Dateinamen sowie Attribute, die nähere Informationen über die Datei geben. Die Dateinamen sind in speziellen Dateien, den Verzeichnissen, abgelegt. Über diese Verzeichnisse kann ein Dateiname und damit eine Datei vom System gefunden werden.
Massenspeichergeräte wie Festplatten-, CD-ROM- und Diskettenlaufwerke haben normalerweise eine Blockstruktur, d.h. aus Betriebssystemsicht lassen sich Daten nur als ganze Blöcke lesen oder schreiben. Ein Block hat dabei eine feste Größe, die früher 512 (29) Bytes, heute meist 4096 (212) oder 8192 (213 ) Bytes umfasst. Die Speichergeräte präsentieren sich als große Fläche mit vielen Blöcken.
Blockstruktur eines Massenspeichergeräts (jeder Block besteht beispielsweise aus 8192 Bytes):
Ein Programm greift auf die Massenspeicher über das Dateisystem zu. Unter UNIX und ähnlichen Betriebssysteme werden dazu Systemrufe zur Verfügung gestellt. Die wichtigsten Systemrufe sind hier:
open, close - Öffnen und Schließen einer Datei
read, write - Lesen und Schreiben
creat, unlink - Erzeugen und Löschen
mkdir, rmdir - Erzeugen und Löschen eines Verzeichnisses
readdir - Lesen von Verzeichniseinträgen
Eine Datei ist eine Speicherfläche beliebiger Größe, die auf dem Gerät aus mehreren Blöcken besteht. Jede Datei erhält außerdem eine Beschreibungsstruktur, die die tatsächliche Größe, Referenzen auf die verwendeten Blöcke und evtl. weitere Informationen wie Dateityp, Eigentümer, Zugriffsrechte enthalten kann.
Verzeichnisse enthalten Dateinamen und Referenzen zu dem jeweiligen Beschreibungsblock. Da Verzeichnisse auch Speicherflächen sind, werden meist speziell gekennzeichnete Dateien als Verzeichnisse verwendet. Der erste Beschreibungsblock kann dabei das Ausgangsverzeichnis enthalten. Oft ist der erste Block für einen Bootblock reserviert, der für das Hochfahren des Systems verwendet werden kann. Er ist nicht Teil des eigentlichen Dateisystems.
Aufteilung eines Massenspeichers für ein Dateisystem:
Die Umsetzung der Systemrufe eines Programms werden vom Kernel eines Betriebssystems implementiert und unterscheiden sich bei den verschiedenen Dateisystemen. Der Kernel übersetzt die Zugriffe dann in die Blockoperationen des jeweiligen Massenspeichers.
Wenn ein Programm eine Datei mittels open öffnet, wird der Dateiname im Verzeichnis gesucht. Die Blöcke auf dem Massenspeicher ermittelt der Kernel aus den entsprechenden Beschreibungsstrukturen. Falls eine Datei im Verzeichnis gefunden wird, erhält man auch ihre Beschreibungsstruktur und damit Referenzen zu den Blöcken.
Mit read kann das Programm dann auf die Blöcke der Datei zugreifen. Falls mit write die Datei vergrößert wird, wird bei Bedarf ein neuer Block aus der Freiliste entnommen und in der Beschreibungsstruktur der Datei hinzugefügt. Auch die anderen Systemrufe lassen sich in Blockzugriffe übersetzen.
Arten von Dateisystemen
Hierarchische Dateisysteme
Frühe Dateisysteme hatten nur ein einzelnes Verzeichnis, das dann Verweise auf alle Dateien des Massenspeichers enthielt. In den meisten modernen Dateisystemen ist dieses Verzeichnis das Wurzelverzeichnis. Hier können Verzeichnisse neben normalen Dateien auch Verweise auf weitere Verzeichnisse, die Unterverzeichnisse, enthalten. Auch diese dürfen wieder Unterverzeichnisse haben.
Dadurch entsteht eine Verzeichnishierarchie, die oft als Verzeichnisbaum dargestellt wird. Das Festplattenlaufwerk C: unter Windows beinhaltet beispielsweise neben Dateien wie Io.sys, Boot.ini auch Verzeichnisse wie Programme, Eigene Dateien usw. Das Verzeichnis Eigene Dateien kann dann wieder Unterverzeichnisse wie Eigene Bilder oder Texte enthalten. In Texte können dann beispielsweise die normalen Dateien Brief1.txt und Brief2.txt stehen.
Die Verzeichnisse werden auch Ordner genannt und sind je nach Betriebssystem durch / oder / getrennt. Da sich eine Hierarchie von Verzeichnissen und Dateien ergibt, spricht man hier von hierarchischen Dateisystemen. Auf die Datei Brief1.txt kann man als
Die Systemrufe wie open, read,._.. können auch über ein Netzwerk an einen Server übertragen werden. Dieser führt dann die Zugriffe auf seine Massenspeicher durch und liefert die angeforderte Information an den Client zurück.
Da dieselben Systemrufe verwendet werden, unterscheiden sich die Zugriffe aus Programm- und Anwendersicht nicht von der auf die lokalen Geräte. Für Netzwerkdateisysteme stehen spezielle Netzwerkprotokolle zur Verfügung.
Spezielle Dateien und Dateisysteme
Das open-read-Modell lässt sich auch auf Geräte und Objekte anwenden, die normalerweise nicht über Dateisysteme angesprochen werden. Dadurch wird der Zugriff auf diese Objekte identisch mit dem Zugriff auf normale Dateien, was meist Vorteile bringt.
Unter Linux lassen sich System- und Prozessinformation über das virtuelle proc-Dateisystem abfragen und ändern. Die virtuelle Datei /proc/cpu liefert Informationen über den Prozessor. Der Kernel gaukelt hier quasi die Existenz einer Datei vor, wie sie auch auf einem Massenspeicher vorhanden sein kann.
Unter Unix erhalten auch die Tastatur, Maus und die Schnittstellen spezielle Dateinamen, auf die mit open, read, write zugegriffen werden kann. Sogar der Speicher hat einen Dateinamen (/dev/mem)
Alles ist eine Datei, und wenn nicht, sollte es eine Datei sein
Neue Konzepte für Dateiverwaltung sind Datenbank-basierende Dateisysteme. Statt in einer hierarchisch aufgebauten Verwaltung, werden Dateien anhand ihrer Eigenschaften, wie Dateityp, Thema, Autor oder ähnlichen Meta-Informationen identifiziert. Die Formulierung einer Dateisuche kann daher in SQL oder in natürlicher Sprache erfolgen. Das Beispiel rechts zeigt eine begonnene Abfrage nach movies that were directed by spielberg.
Bei einigen der oben genannten Dateisysteme handelt es sich um Journaling-Dateisysteme. Alle Dateisysteme haben gemeinsam, dass auf sie auch von Fremdsystemen zugegriffen werden kann, sofern das Betriebssystem dies direkt unterstützt oder es dem Betriebssystem über entsprechende Treibersoftware ermöglicht wird. Ausnahmen bilden Dateisysteme, die eine erweiterte Berechtigung unterstützen, die Möglichkeit der Verschlüsselung bieten, oder deren genaue Funktionsweise ein Betriebsgeheimnis ist (zum Beispiel NTFS).
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