ファイル システムについて 1 つの記事で学ぶ

ファイル システムは、オペレーティング システムにおいて重要な役割を果たし、ストレージ メディア上のデータを整理および管理すると同時に、データ アクセスおよびストレージ機能を実現します。ユーザーはファイル システムを介してシステムと対話し、データの管理とアクセスを行うため、データの保存と取得がより効率的かつ便利になります。

Windows の NTFS、Linux の ext4、MacOS の APFS など、さまざまなオペレーティング システムには独自のファイル システムが搭載されています。さらに、異なるシステム間のデータ交換を容易にするために、FAT32 や exFAT などのいくつかの共通ファイル システムもあります。ファイル システムは、物理ストレージ デバイスを分割および結合して、オペレーティング システムに統合された論理デバイスを提供する役割を果たします。物理ディスクを複数の論理パーティションに分割したり、複数の論理パーティションを 1 つのボリュームに結合したりできます。ボリュームが複数の物理ディスクにまたがってマージされると、ファイル システムは単一の物理デバイスの容量の論理拡張を実装します。

パーティションとボリュームの図

ファイル システムの中核となる機能は、ファイルの管理と整理です。各ファイルには一意のパスと名前があり、システム内のファイルの ID と場所を構成します。ファイルシステムの最上位は論理パーティションまたは論理ボリュームであり、ファイルは異なるディレクトリに階層的に格納され、ツリー構造を形成します。

ツリーファイル構造図

ファイル システムでは、ファイルのアクセス許可と実行許可がファイル間の主な違いであり、ファイル内容の違いはファイル自体の定義によって異なります。さまざまなファイル タイプは、ファイル プロトコルに従ってデータにアクセスし、通常はファイル ヘッダーでファイル タイプを宣言します。ファイル名の形式は、システムとユーザーがファイルの種類を識別するのに役立ちますが、ファイルの種類と内容は変更されません。初期の Windows システムでは、「.」の後の 3 文字がシステムによるファイルの種類の区別に役立つ 8.3 ファイル名命名標準が採用されていました。たとえば、「exe」は実行可能ファイルを表します。

ファイル システムのハードウェア容量制限に加えて、ファイル数にも上限があります。システム内に小さなファイルが多数ある場合、ファイル システム内のファイル インデックスの数が枯渇し、物理ディスクに記憶領域があっても新しいファイルを作成できなくなります。これが発生した場合、これらの小さなファイルを均一に管理するには、いくつかのアプリケーションレベルのファイル管理プログラムに依存する必要があります。これらのアプリケーション レベルのファイル管理プログラムでは、64MB、128MB などの固定サイズの「大きな」ファイルが作成されます。ファイル管理プログラムは、小さなファイルをこれらの大きなファイル内の指定された場所に保存します。ファイル システム内の「大きな」ファイルには、複数の小さなファイルが含まれます。これにより、ファイル システム内のファイルの数が効果的に削減されます。ファイル管理プログラムがファイルにアクセスすると、アクセス パフォーマンスが低下し、使用領域が削減される可能性がありますが、ファイル システムに保存されるファイルはすべてサイズが大きくなります。大きなファイルを保存すると、ファイルが多すぎることによるファイル システムの断片化やパフォーマンスの低下を効果的に回避でき、効果的なバランス方法です。

ファイル システムは、ドキュメント、マルチメディア、データベース ファイルなどのデータの基礎です。その特性を理解することは、アプリケーション データ ストレージの設計と開発にとって重要です。

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