Основным служебным файлом является главная файловая таблица, $MFT (Master File Table) — своеобразная база данных, хранящая информацию обо всех файлах тома — их именах, атрибутах, способе и порядке размещения на диске. Каталог также является файлом особого типа, со списком принадлежащих ему файлов и вложенных подкаталогов. Важно подчеркнуть, что в MFT присутствуют все файлы, находящиеся во всех подкаталогах тома, поэтому для восстановления диска наличия файла
$MFT
будет вполне достаточно.
Остальные служебные файлы, называемые метафайлами (metafiles) или метаданными (metadata), всегда имеют имена, начинающиеся со знака доллара (
$
),
и носят сугубо вспомогательный характер, интересный только самой файловой системе. К ним, в первую очередь, относится:
$LogFile
— файл транзакций,
$Bitmap
— карта свободного/занятого пространства,
$BadClust
— перечень плохих кластеров и т.д. Более подробная информация о них будет приведена далее в этой главе. Текущие версии Windows блокируют доступ к служебным файлам с прикладного уровня (даже с правами администратора!), и всякая попытка открытия или создания такого файла в корневом каталоге обречена на неудачу.
Классическое определение, данное в учебниках информатики, отождествляет файл с именованной записью на диске. Большинство файловых систем добавляет к этому понятие атрибута (attribute) — некоторой вспомогательной характеристики, описывающей время создания, права доступа и т.д. В NTFS имя файла, данные файла и его атрибуты полностью уравнены в правах. Иначе говоря, всякий файл NTFS представляет собой совокупность атрибутов, каждый из которых хранится как отдельный поток байтов. Поэтому, во избежание путаницы, атрибуты, хранящие данные файла, часто называют потоками (streams).
Каждый атрибут состоит из тела (body) и заголовка (header). Атрибуты подразделяются на резидентные (resident) и нерезидентные (non-resident). Резидентные атрибуты хранятся непосредственно в $MFT, что существенно уменьшает грануляцию дискового пространства и сокращает время доступа. Нерезидентные атрибуты хранят в $MFT лишь свой заголовок, описывающий порядок размещения атрибута на диске.
Назначение атрибута определяется его типом (type), представляющим собой четырехбайтное шестнадцатеричное значение. При желании атрибуту можно дать еще и имя (name), состоящее из символов, входящих в соответствующее пространство имен (namespace). Подавляющее большинство файлов имеет, по меньшей мере, три атрибута, к числу которых относятся: стандартная информация о файле (время создания, модификации, последнего доступа, права доступа) хранится в атрибуте типа
10h
, условно обозначаемом
$STANDARD_INFORMATION
. Ранние версии Windows NT позволяли обращаться к атрибутам по их условным обозначениям, но Windows 2000 и Windows XP лишены этой возможности. Полное имя файла (не путать с путем!) хранится в атрибуте типа
30h
(
$FILE_NAME
). Если у файла есть одно или несколько альтернативных имен (например, имя MS-DOS), таких атрибутов может быть и несколько. Здесь же хранится ссылка (file reference) на родительский каталог, позволяющая разобраться, к какому каталогу принадлежит данный файл или подкаталог. По умолчанию данные файла хранятся в безымянном атрибуте типа
80h
(
$DATA
). Однако при желании прикладные программы могут создавать дополнительные потоки данных, отделяя имя атрибута от имени файла знаком двоеточия (например:
ECHO ххх > file:attr1; ECHO yyy > file:attr2; more < file:attr1; more < file:attr2
).
Изначально в NTFS была заложена способность индексации любых атрибутов, значительно сокращающая время поиска файла по заданному списку критериев (например, времени последнего доступа). Индексы хранятся в виде двоичных деревьев, поэтому среднее время выполнения запроса оценивается как O(lg n). На практике в существующих драйверах NTFS реализована индексация лишь по имени файла. Как уже говорилось ранее, каталог представляет собой файл особого типа — файл индексов. В отличие от FAT, где файл каталога представляет собой единственный
источник данных об организации файлов, в NTFS файл каталога используется лишь для ускорения доступа к содержимому каталога. Он не является обязательным, так как ссылка на родительский каталог всякого файла в обязательном порядке присутствует в атрибуте его имени (
$FILE_NAME
).
Каждый атрибут может быть зашифрован, разрежен или сжат. Техника работы с такими атрибутами выходит далеко за рамки первичного знакомства с организацией файловой системы и будет рассмотрена позднее. Пока же рассмотрим углубленно фундамент файловой системы NTFS — структуру
$MFT
.
Главная файловая таблица
В процессе форматирования логического раздела в его начале создается так называемая зона MFT (рис. 6.2). По умолчанию она занимает 12,5% от емкости тома (а не 12%, как утверждается во многих публикациях), хотя, в зависимости от значения параметра
NtfsMftZoneReservation
, она может составлять 25%, 37% или 50%.
Рис. 6.2. Структура тома, отформатированного под NTFS
В этой области расположен файл
$MFT
, изначально занимающий порядка 64 секторов и растущий от начала зоны MFT к ее концу по мере создания новых пользовательских файлов и каталогов. Чем больше файлов содержится на томе, тем больше размер MFT. Приблизительный размер файла MFT можно оценить по следующей формуле:
sizeof (FILE Record) * N Files
, где
sizeof(FILE Record)
обычно составляет 1 Кбайт, а
N Files
— полное количество файлов и подкаталогов раздела, включая недавно удаленные.
Для предотвращения фрагментации файла
$MFT
зона MFT удерживается зарезервированной вплоть до полного исчерпания свободного пространства тома, затем незадействованный "хвост" зоны MFT усекается в два раза, освобождая место для пользовательских файлов. Этот процесс может повторяться многократно, вплоть до полной отдачи всего зарезервированного пространства. Решение красивое, хотя и не новое. Многие из файловых систем восьмидесятых годов прошлого века позволяли резервировать заданное дисковое пространство в хвосте активных файлов, сокращая их фрагментацию (причем любых файлов, а не только служебных). Например, такая способность была у DOS 3.0, разработанной для персональных компьютеров типа "Агат". Может быть, кто-то из вас помнит такую машину?
Когда файл
$MFT
достигает границ зоны MFT, в ходе своего последующего роста он неизбежно фрагментируется, вызывая обвальное падение производительности файловой системы. При этом стоит заметить, что подавляющее большинство дефрагментаторов файл $MFT не обрабатывают! А ведь API дефрагментации, встроенный в штатный драйвер NTFS, обеспечивает такую возможность!
Примечание
Утилиту дефрагментации файла $MFT, а также подробное описание принципов ее работы, можно найти на сайте Марка Руссиновича (http://www.sysinternals.com). Но, как бы там ни было, заполнять том более чем на 88% его емкости категорически не рекомендуется!
При необходимости файл
$MFT
может быть перемещен в любую часть диска, и тогда в начале тома его уже не окажется. Стартовый адрес файла
$MFT
хранится в загрузочном секторе по смещению
30h
байт от его начала (см. описание структуры загрузочного сектора в гл. 5). В подавляющем большинстве случаев этот адрес ссылается на четвертый кластер.
Файл
$MFT
представляет собой массив записей типа
FILE Record
(в терминологии UNIX они называются inodes), каждая из которых описывает соответствующий ей файл или подкаталог. На практике один файл или подкаталог полностью описывается единственной записью типа
FILE Record
, хотя в теории этих записей может потребоваться и несколько.