Что такое файловая система? Ответ с одной стороны может вместиться в пару слов, а с другой невозможно объять.

Данная статья несколько сложна для усвоения, в результате чего просим вас посещать все ссылки и вникать во все приведенные материалы.

Еще немного академического восприятия ФС.

Список файловых систем

Файловая система (англ. file system) — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации ИТ — оборудования (использующего для многократной записи и хранения информации портативные флеш-карты памяти в портативных электронных устройствах: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. д) и компьютерной техники. Она определяет формат содержимого и физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Задачи файловой системы

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;

программный интерфейс работы с файлами для приложений;

отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Файловая система — это основная структура, используемая компьютером для упорядочения информации на жестком диске. При установке нового жесткого диска его необходимо разбить на разделы и отформатировать под определенную файловую систему, после чего на нем можно хранить данные и программы. В Windows существует три возможных варианта файловой системы: NTFSFAT32 и редко используемая устаревшая система FAT (также известная как FAT16).

NTFS (преобразование)

NTFS является предпочтительной файловой системой для этой версии Windows. Она имеет множество преимуществ перед более ранней системой FAT32; ниже перечислены некоторые из них.

Способность автоматически восстанавливаться после некоторых ошибок диска (FAT32 не обладает такой способностью).
Улучшенная поддержка больших жестких дисков.
Более высокая степень безопасности. Возможно использование разрешений и шифрования для запрета пользовательского доступа к определенным файлам.

FAT32 (преобразование)

Файловая система FAT32 и редко применяемая система FAT использовались в предыдущих версиях Windows, в том числе в Windows 95, Windows 98 и Windows Millenium Edition. Файловая система FAT32 не обеспечивает уровня безопасности, предоставляемого NTFS, поэтому если на компьютере имеется раздел или том, отформатированный под FAT32, файлы на этом разделе видны любому пользователю, имеющему доступ к компьютеру. Файловая система FAT32 также имеет ограничения по размеру файлов. В этой версии Windows невозможно создать раздел FAT32 размером более 32Гб. Кроме того, раздел FAT32 не может содержать файл размером более 4Гб.

Основной причиной использования системы FAT32 может служить то, что на компьютере можно будет запустить как Windows 95, Windows 98 или Windows Millenium Edition, так и эту версию Windows (конфигурация с несколькими операционными системами). Для создания такой конфигурации необходимо установить предыдущую версию операционной системы на раздел, отформатированный под FAT32 или FAT, сделав его основным (основной раздел может содержать операционную систему). Другие разделы, доступ к которым осуществляется из предыдущих версий Windows, также должны быть отформатированы под FAT32. Более ранние версии Windows могут обращаться только к сетевым NTFS-разделам или томам. NTFS-разделы на локальном компьютере будут недоступны.

Статья: Сравнительная характеристика файловых систем FAT32 и NTFS

FAT — плюсы:

    Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.
    Быстрая работа с малыми и средними каталогами.
    Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).
    Эффективная работа на медленных дисках.

FAT — минусы:

    Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).
    Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.
    Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.

NTFS — плюсы:

    Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы — работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.
    Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.
    Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).
    Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) — весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).

NTFS — минусы:

    Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт — абсолютный минимум, лучше — больше).
    Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.
    Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.
    Диск, долго работающий в заполненном на 80% — 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.

Файловые системы Linux 

(ссылка на вики от убунту)

В качестве «родных» для Linux (то есть тех, на которые он может быть установлен и с которых способен стартовать) рассматриваются следующие файловые системы: ext2fs, ext3fs, ext4fs, ReiserFS, XFS, JFS. Именно они обычно и предлагаются на выбор при установке подавляющего большинства дистрибутивов. Конечно, существуют и способы установки Linux на файловые системы FAT/VFAT/FAT32, но это — только для тех медам и мсье, которые понимают толк в извращениях, и о них я говорить не буду.

Основными критериями при выборе файловой системы являются обычно надежность и быстродействие. В некоторых случаях приходится учитывать также фактор совместимости — в данном случае под ней понимается способность других операционок обращаться к той или иной файловой системе.
Начну рассмотрение с ReiserFS — потому что поводом к сочинению этой заметки послужил вопрос: а что следует считать маленькими файлами? Ведь общеизвестно, что именно эффективность работы с мелкими файлами является сильной стороной этой файловой системы.

Так вот, под мелкими файлами понимаются файлы размером меньше логического блока файловой системы, который в Linux в большинстве случаев равен четырем килобайтам, хотя и может задаваться при форматировании в некоторых пределах (зависящих от конкретной FS). Таких мелких файлов в любой Unix-подобной ОС — бессчетное количество. Типичным примером являются файлы, составляющие дерево портов FreeBSD, портежей Gentoo и тому подобных портообразных систем.
В большинстве файловых систем для таких мини файлов существует как свой inode (информационный узел, содержащий мета информацию о файле), так и блок данных, что приводит как к расходу дискового пространства, так и снижению быстродействия файловых операций. В частности, именно в этом причина катастрофической задумчивости файловой системы FreeBSD (как старой, UFS, так и новой, UFS2) при работе с собственной же системой портов.

В файловой системе ReiserFS в таких случаях отдельные блоки под данные не выделяются — она умудряется запихать данные файла непосредственно в область его же inode. За счет этого и дисковое пространство экономится, и быстродействие возрастает — буквально в несколько раз по сравнению со всеми прочими FS.
Такое обращение с мелкими файлами ReiserFS послужило причиной возникновения легенды о ее ненадежности. Действительно, при крахе файловой системы (то есть разрушении служебных областей) данные, размещенные совместно со своими inodes, вместе с ними же и пропадают — причем безвозвратно. Тогда как в тех файловых системах, где inodes и блоки данных всегда разобщены пространственно, последние теоретически можно восстановить. Так, для ext2/ext3 даже существуют средства, позволяющие это сделать.

Однако, как и всякая легенда, эта лишь производит впечатление достоверности. Во-первых, безвозвратная потеря данных относится лишь к очень маленьким файлам. Среди пользовательских таковых практически не бывает, а все прочие же легко восстанавливаются из дистрибутива.
Во-вторых, говоря о возможности восстановления данных из блоков, утративших привязку к своим inodes, я не случайно употребил слово «теоретическая». Потому что на практике это занятие чрезвычайно трудоемкое, не дающее гарантированного результата. Каждый, кому приходилось этим заниматься, согласится, что предаться ему можно только от полной безысходности. И это относится ко всем файловым системам Linux. Так что этим аспектом при выборе файловой системы можно пренебречь.

По суммарному быстродействию ReiserFS однозначно быстрее всех остальных журналируемых FS, а по некоторым показателям превосходит и ext2. С результатами сравнения скорости выполнения некоторых распространенных файловых файловых операций можно ознакомиться здесь.
А вот с совместимостью у ReiserFS дело обстоит несколько хуже. Доступ к ней из ОС семейства Windows, насколько мне известно, невозможен. В некоторых операционных системах семейства BSD (DragonFlyBSD, FreeBSD) реализована поддержка этой файловой системы, но в режиме только для чтения. Даже вероятность того, что произвольный Linux LiveCD прошлых лет не имеет поддержку ReiserFS, не нулевая.

И тут впору вспомнить об ext3fs. Преимущество ее вовсе не в большей надежности — это такая же легенда, как и неустойчивость ReiserFS. О случаях краха ext3fs я слышал не меньше, чем об аналогичных происшествиях с ReiserFS. Самому мне не удавалось порушить ни ту, ни другую. Разве что с ext2 получалось — но и то очень давно, во времена ядра 2.2 (или даже еще 2.0).

Нет, главное преимущество ext3fs в ее совместимости — она с гарантией будет прочитана любой Linux-системой. Например, при восстановлении с какого-нибудь древнего подручного LiveCD — ситуация, практически не столь уж невероятная, мне приходилось в нее попадать. Опять же, большинство BSD-систем легко понимают ext3fs (хотя и без журналирования). Для Windows также имеются, насколько я знаю, всякого рода драйверы и plug-ins к распространенным файловым менеджерам (типа Total Commander), обеспечивающие доступ к разделам с ext2fs/ext3fs.

В отношении производительности ext3fs оставляет противоречивое впечатление. Во-первых, быстродействие ее очень зависит от режима журналирования, каковых предусмотрено три: с полным журналированием данных, частичным их журналированием и журналированием только метаданных. В каждом из режимов она показывает различную производительность на разных типах файловых операций. Впрочем, ни в одном случае быстродействие не является рекордным.

Впрочем, если требование быстродействия ставится на первое место, то тут вне конкуренции оказывается ext2fs — правда, в этом случае придется смириться с отсутствием журналирования вообще. И, следовательно, с длительными проверками файловой системы при любом некорректном завершении работы — а при объемах современных дисков это может затянуться ой как надолго…

Относительно XFS можно сказать следующее. В плане совместимости к ней относится все то же самое, что написано для ReiserFS — более того, до некоторого времени она не поддерживалась стандартным ядром Linux. С точки зрения быстродействия она XFS она также не блещет, выступая суммарно примерно на одном уровне с ext3fs. А на операции удаления файлов вообще демонстрирует удручающую медлительность.
По моим наблюдениям, использование XFS оправдывает себя при работе не просто с большими, а с очень большими файлами — каковыми являются фактически только образы DVD и видеофайлы.

Возвращаюсь к вопросу о надежности. Банальное выключение питания в ходе обычной пользовательской работы, как правило, безболезненно переносят все журналируемые файловые системы (и ни одна из них не обеспечивает сохранности незаписанных на диск пользовательских операций — спасение утопающих и тут остается делом рук самих утопающих). Правда, для любой файловой системы можно смоделировать ситуацию, в ходе которой выключение питания приведет к более или менее серьезным ее повреждениям. Однако в реальной жизни возникновение таких ситуаций маловероятно. А полностью исключить их пожно приобретением источника бесперебойного питания — он придаст больше уверенности в сохранности данных, чем тип файловой системы. Ну а гарантией восстановления разрушенных данных в любом случае может быть только их регулярное резервное копирование…

Думаю, изложенной выше информации достаточно для осознанного выбора. Мой личный выбор в течении последних нескольких лет — ReiserFS. Изредка, на системах, где оправданно вынесение за пределы корневого раздела всего, чего только можно, целесолобразно использование ext3fs для корневой файловой системы и ReiserFS — для всех остальных.

Если предусматривается отдельный раздел под каталог /boot (а это рекомендуется при использовании загрузчика GRUB его разработчиками) — для него никакая другая файловая система, кроме ext2fs, не оправданна, какое-либо журналирование тут смысла не имеет. Наконец, если создается отдельный раздел под всякого рода мультимедийные материалы — тут можно подумать и о XFS.

Если же подойти к объяснению более методично

EXT

ext — на начальном этапе развития Linux была доминирующей система ext2 (расширенная файловая система, версия 2). С 2002 года ей на смену пришла система ext3, которая во многом совместима с ext2, но к тому же поддерживает функции журналирования, а при работе с версией ядра 2.6 и выше — и ACL. Максимальный размер файла составляет 2 Тбайт, максимальный размер файловой системы — 8 Тбайт. В конце 2008 года было официально заявлено о выпуске версии ext4, которая обладает обратной совместимостью с ext3, но многие функции внедрены более эффективно, чем ранее. Кроме того, максимальный размер файловой системы равен 1 Эбайт (1 048 576 Тбайт), и можно рассчитывать, что на какое-то время такого объема хватит. О reiser — система получила название от имени своего основателя — Ганса Рай-зера (Hans Reiser) и была первой системой с функциями журналирования, обращавшейся за данными к ядру Linux. Версия З.п в SUSE даже считалась стандартной в течение некоторого времени. Основные преимущества reiser в сравнении с ext3 — более высокая скорость работы и эффективность размещения при работе с мелкими файлами (а в файловой системе, как правило, большинство файлов мелкие). Со временем, правда, разработка reisefers приостановилась. Уже давно было заявлено о выходе версии 4, которая все еще не готова, а поддержка версии 3 прекратилась. О xfs — первоначально файловая система xfs разрабатывалась для рабочих станций фирмы SGI, функционировавших в операционной системе IRIX. Xfs особенно хороша для работы с крупными файлами, в частности идеально подходит для работы с потоковым видео. Система поддерживает квотирование и расширенные атрибуты (ACL).
jfs

jfs — a66peBHaTypaJFS расшифровывается «Журналируемая файловая система». Первоначально она была разработана для IBM, а затем адаптирована для Linux.Jfs никогда не пользовалась в Linux особым признанием и в настоящее время влачит жалкое существование, уступая другим файловым системам.
brtfs

brtfs — если на то будет воля ведущих разработчиков ядра, файловую систему brtfs в Linux ждет блестящее будущее. Эта система была разработана в Oracle с нуля. Она включает функции поддержки модуля отображения устройств (device-mapper) и RAID. Brtfs наиболее сходна с системой ZFS, разработанной компанией Sun. К ее самым интересным функциям относится проверка файловой системы на ходу, а также поддержка SSD (твердотельные диски — это жесткие диски, работающие на основе флеш-памяти). К сожалению, работа над brtfs в обозримом будущем не завершится. В Fedora, уже начиная с версии 11, предусмотрена возможность установки brtfs, но пользоваться ею я рекомендую только разработчикам файловых систем!
Не существует «быстрейшей» или «наилучшей» файловой системы — оценка зависит от того, для чего вы собираетесь использовать систему. Начинающим пользователям Linux, работающим с локальным компьютером, рекомендуется работать с ext3, а администраторам серверов — с ext4. Конечно, с ext4 скорость работы повыше, чем с ext3, но при этом в системе ext4 значительно хуже дело обстоит с надежностью данных — вы вполне можете потерять информацию при внезапном отключении системы.

UNIX

Если вы установили на компьютере вторую UNIX-подобную операционную систему, то при обмене данными (из одной ОС в другую) вам пригодятся следующие файловые системы.

sysv — применяется в ОС SCO, Xenix и Coherent.

ufs — используется в FreeBSD, NetBSD, NextStep и SunOS. Linux может только считывать информацию из таких файловых систем, но не может вносить изменения в данные. Для доступа к сегментам с BSD дополнительно потребуется расширение BSD disklabel. Аналогичное расширение существует и для таблиц разбиения SunOS.

ZFS — это относительно новая система, разработанная Sun для Solaris. Поскольку код ZFS не соответствует лицензии GPL, ее нельзя интегрировать с ядром Linux. По этой причине Linux поддерживает эту файловую систему лишь опосредованно, через FUSE.
Windows, Mac OS X

Следующие файловые системы будут полезны при обмене информацией с MS DOS, Windows, OS/2 и Macintosh.

vfat — используется в Windows 9х/МЕ. Linux может считывать информацию из таких разделов и вносить в нее изменения. Драйверы системы vfat позволяют работать и со старыми файловыми системами MS DOS (8 + 3 символов).

ntfs — система применяется во всех современных версиях Windows: otNT и выше. Linux может считывать и изменять ее файлы.

hfs и hfsplus — эти файловые системы используются в компьютерах Apple. Linux может считывать и изменять ее файлы.

CD-ROM/DVD

На CD и DVD с данными обычно используются собственные файловые системы.

iso9660 — файловая система для CD-ROM описана в стандарте ISO-9660, допускающем только короткие названия файлов. Длинные названия поддерживаются в различных операционных системах по-разному, с помощью многообразных несовместимых друг с другом расширений. Система Linux способна работать как с расширением Rockridge, обычным в UNIX, так и с расширением Joliet, разработанным Microsoft.

udf — этот формат (универсальный формат диска) появился и развился как наследник ISO 9660.

Сетевые файловые системы

Файловые системы не обязательно должны находиться на локальном диске — они
могут подключаться к компьютеру и через сеть. Ядро Linux поддерживает различные сетевые файловые системы, из которых чаще всего применяются следующие.

smbfs/cifs — помогают подключать сетевые каталоги Windows или Samba к дереву каталогов.

nfs — это важнейшая в UNIX сетевая файловая система.

coda — эта система очень напоминает NFS. В ней имеется множество дополнительных функций, но она не очень распространена.

ncpfs — работает на базе протокола ядра NetWare;oH используется Novell Netware.

Виртуальные файловые системы

В Linux существует несколько файловых систем, предназначенных не для сохранения данных на жестком диске (или другом носителе), а только для обмена информацией между ядром и пользовательскими программами.
devpts — эта файловая система обеспечивает доступ к псевдотерминалам (сокращенно — PTY) через /dev/pts/* в соответствии со спецификацией UNIX-98. (Псевдотерминалы эмулируют последовательный интерфейс. В системах UNIX/Linux такие интерфейсы используются эмуляторами терминалов, например xterm. При этом, как правило, применяются такие устройства, как /dev/ ttypn. В спецификации UNIX-98, напротив, определяются новые устройства. Более подробная информация сообщается в текстовом терминале H0WT0.)
proc и sysfs — файловая система proc служит для отображения служебной информации, касающейся управления ядром и процессами. В дополнение к этому файловая система sysfs строит взаимосвязи между ядром и оборудованием. Обе файловые системы подключаются на позициях /proc и /sys.
tmpfs — эта система построена на основе разделяемой памяти в соответствии с System V. Она обычно подключается на позиции /dev/shm и обеспечивает эффективный обмен информацией между двумя программами. В некоторых дистрибутивах (например, Ubuntu) каталоги /var/run и /var/lock также создаются с помощью файловой системы tmpfs. Файлы из этих каталогов применяются некоторыми сетевыми демонами для того, чтобы сохранять идентификационные номера процессов, а также информацию о доступе к файлам. Благодаря tmpfs эти данные теперь отражаются в RAM. Метод гарантирует высокую скорость, а также то, что после отключения компьютера в каталогах / var/run или /var/lock не останется никаких файлов.

usbfs — файловая система usbfs, начиная с версии ядра 2.6 и выше, дает информацию о подключенных USB-устройствах. Обычно она интегрирована в файловую систему proc. О поддержке USB-устройств в Linux.

Прочие файловые системы

auto

auto — на самом деле файловой системы под таким названием не существует. Однако слово auto можно использовать в /etc/fstab или с командой mount для указания файловой системы. В таком случае Linux попытается самостоятельно распознать файловую систему. Этот метод работает с большинством важнейших файловых систем.
autofs, autofs4

autofs, autofs4 — это тоже не файловые системы, а расширения ядра, автоматически выполняющие команду mount для выбранных файловых систем. Если файловая система не используется в течение некоторого времени, то для нее автоматически выполняется команда umount. Этот метод удобен прежде всего в тех случаях, когда из многих NFS-каталогов одновременно активно используются всего несколько.

Для выполнения таких операций при запуске системы сценарий /etc/init.d/ autofs автоматически выполняет программу automount. Она конфигурируется с помощью файла /etc/auto.master. Соответствующие программы автоматически устанавливаются, например, в Red Hat и Fedora. В любом случае autofs активизируется только после конфигурации /etc/auto.master или /etc/auto.misc.
cramfs и squashfs

cramfs и squashfs — файловые системы Cram и Squash предназначены только для чтения. Они используются для того, чтобы «упаковать» как можно больше заархивированных файлов во флеш-память или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

FUSE

fuse — FUSE означает «Файловая система в пользовательском пространстве» (Filesystem in Userspace) и позволяет разрабатывать и использовать драйверы файловых систем вне ядра. Следовательно, FUSE всегда применяется с внешним драйвером файловой системы. FUSE работает, в частности, с драйвером NTFS ntfs-3g.

gfs и ocfs

gfs и ocfs — Глобальная файловая система (Global File System) и Кластерная файловая система от Oracle (Oracle Cluster File System) позволяют строить гигантские сетевые файловые системы, к которым могут параллельно обращаться множество компьютеров в один и тот же момент.

jffs и yaffs

jffs и yaffs — Журналируемая файловая система для флеш-носителей (Journaling Flash File System) и Альтернативная файловая система для флеш-носителей (Yet Another Flash File System) специально оптимизированы для работы с твердотельными дисками и флеш-носителями. С помощью специальных алгоритмов они пытаются равномерно использовать все ячейки памяти (технология «выравнивание износа»), чтобы избежать преждевременного отказа системы.
loop

loop — используется для работы с псевдоустройствами. Псевдоустройство (loopback device) — это адаптер, способный обращаться к обычному файлу как к блочному устройству. Благодаря ему в любом файле можно расположить любую файловую систему, а затем подключить ее к дереву каталогов с помощью mount. Отвечающая за это функция ядра — поддержка псевдоустройств — реализуется в модуле loop.

Существуют разнообразные способы применения псевдоустройств. В частности, они могут использоваться при создании дисков в оперативной памяти для начальной инициализации (Initial RAM disk) для GRUB или LILO, при реализации зашифрованных файловых систем или тестировании ISO-образов для CD.

Linux — файловые системы ext3 и ext4

Файловые системы носителей данных

    Файловые системы
        ISO 9660
            Joliet расширение файловой системы ISO 9660.
            Rock Ridge (RRIP, IEEE P1282) — расширение файловой системы ISO 9660, разработанное для хранения файловых атрибутов, используемых в операционных системах POSIX
                Amiga Rock Ridge Extensions
            El Torito
            Apple ISO9660 Extensions
                HFS, HFS+
        Universal Disk Format cпецификация формата файловой системы, независимой от операционной системы для хранения файлов на оптических носителях. UDF является реализацией стандарта ISO/IEC 13346
            Mount Rainier