Раздел 08 — Файловые системы

Диск умеет одно: прочитать или записать блок (сектор) по номеру. Файловая система — способ организации данных на разделе, который превращает миллионы пронумерованных блоков в файлы с именами, папки, права и даты. Она отвечает на вопросы: в каких блоках лежит файл, какие блоки свободны, кто может его читать, что делать, если питание пропало посреди записи.

Размер кластера — компромисс: большой кластер ускоряет работу с большими файлами, но тратит место на мелких (последний кластер заполнен в среднем наполовину — та же внутренняя фрагментация, что у страниц в разделе 07). Для NTFS и ext4 обычно 4 КБ.

В FAT (File Allocation Table) в каталоге записано имя файла и номер первого кластера, а в таблице FAT — цепочка: кластер 5 → 6 → 9 → конец. Таблица хранится в двух копиях в начале тома; если она повреждена, файлы теряются целиком.

Сравнивать лучше на деле. Создадим виртуальный диск на 1 ГБ с двумя разделами: FAT32 с буквой R: и NTFS с буквой S:. Скрипт для diskpart:

create vdisk file="C:\tl\os\run\fs.vhdx" maximum=1024 type=expandable
select vdisk file="C:\tl\os\run\fs.vhdx"
attach vdisk
convert gpt
create partition primary size=300
format fs=fat32 quick label=FAT
assign letter=R
create partition primary
format fs=ntfs quick label=NTFS
assign letter=S

PS> Get-Volume -DriveLetter R, S | Select-Object DriveLetter, FileSystemLabel, FileSystem, @{n="МБ"; e={[math]::Round($_.Size/1MB)}}, AllocationUnitSize
DriveLetter        : R
FileSystemLabel    : FAT
FileSystem         : FAT32
МБ                 : 296
AllocationUnitSize : 4096

DriveLetter        : S
FileSystemLabel    : NTFS
FileSystem         : NTFS
МБ                 : 708
AllocationUnitSize : 4096

Размер кластера у обоих 4 КБ (AllocationUnitSize). Что умеет каждая ФС, сообщает fsutil fsinfo volumeinfo:

PS> fsutil fsinfo volumeinfo R: | Select-String "Имя файловой|Поддерживает"
Имя файловой системы: FAT32
Поддерживает использование Юникода в именах файлов
Поддерживает шифрование на уровне файловой системы (EFS)
PS> fsutil fsinfo volumeinfo S: | Select-String "Имя файловой|Поддерживает"
Имя файловой системы: NTFS
Поддерживает учет регистров в именах файлов
Поддерживает использование Юникода в именах файлов
Поддерживает обязательное использование списков доступа (ACL)
Поддерживает сжатие файлов
Поддерживает дисковые квоты
Поддерживает разреженные файлы
Поддерживает точки повторной обработки
Поддерживает удаление связи и переименование, применяемые в POSIX
Поддерживает обход ввода-вывода
Поддерживает каталоги с учетом регистра
Поддерживает идентификаторы объектов
Поддерживает шифрование на уровне файловой системы (EFS)
Поддерживает именованные потоки
Поддерживает жесткие ссылки
Поддерживает расширенные атрибуты
Поддерживает открытие по идентификатору файла
Поддерживает журнал USN

У FAT32 почти ничего, у NTFS — длинный список. Проверим главное по очереди.

Жёсткая ссылка — второе имя того же файла: данные одни, имён два. Удалите одно имя — файл останется под другим. На FAT32 так нельзя:

PS> New-Item -ItemType HardLink -Path S:\copy.txt -Target S:\report.txt | Out-Null; fsutil hardlink list S:\report.txt
\copy.txt
\report.txt
PS> New-Item -ItemType HardLink -Path R:\copy.txt -Target R:\report.txt
New-Item : Для указанного пути жесткие ссылки не поддерживаются.

Символическая ссылка — особый файл, в котором записан путь к другому файлу, как ярлык, но на уровне ФС: программы открывают её как обычный файл. Создавать её может администратор (или пользователь в режиме разработчика Windows). В списке файлов она отмечена <SYMLINK>:

PS> New-Item -ItemType SymbolicLink -Path S:\link.txt -Target S:\report.txt | Out-Null; cmd /c dir S:\
 Том в устройстве S имеет метку NTFS
 Серийный номер тома: 6252-6060

 Содержимое папки S:\

31.10.2026  11:10                18 copy.txt
31.10.2026  11:10    <SYMLINK>      link.txt [S:\report.txt]
31.10.2026  11:10                18 report.txt
               3 файлов             36 байт
               0 папок     725 028 864 байт свободно

Для папок есть ещё точки соединения (junction, mklink /j) — ими Windows перенаправляет старые пути, например C:\Documents and Settings на C:\Users (вы видели это в разделе 01).

Сердце NTFS — главная файловая таблица MFT (Master File Table). Каждый файл и каталог — запись в MFT размером 1 КБ: имя, даты, права, а также список экстентов с данными. Маленький файл (до нескольких сотен байт) целиком помещается в саму запись и не занимает кластеров. Сама MFT — тоже файл ($MFT), как и другие служебные: журнал $LogFile, карта свободных кластеров $Bitmap. Под MFT заранее отводится зона, чтобы таблица росла без фрагментации:

PS> fsutil fsinfo ntfsinfo S:
Серийный номер тома NTFS:        0xb062529562526060
Версия NTFS:                3.1
Версия LFS:                2.0
Всего секторов:                1 449 855  (707,9 МБ)
Всего кластеров:                  181 231  (707,9 МБ)
Свободных кластеров:                  178 033  (695,4 МБ)
Всего зарезервированных кластеров:              1 024  (  4,0 МБ)
Зарезервировано для резерва памяти:             0  (  0,0 КБ)
Байтов на сектор:                512
Байтов на физический сектор:        4096
Байтов на кластер:                4096  (4 КБ)
Байтов на сегмент FileRecord:  1024
Кластеров на сегмент FileRecord:  0
Допустимая длина данных в MFT:            256,00 КБ
Начальный номер LCN в MFT:                   0x000000000000ebfa
Начальный номер LCN в MFT2:                   0x0000000000000002
Начало зоны MFT:                   0x000000000000ebe0
Конец зоны MFT:                   0x0000000000014480
Размер зоны MFT:                   88,63 МБ
Максимальное количество экстентов с обрезкой на устройстве:     4096
Максимальное количество байтов с обрезкой на устройстве:       0xffffffff
Максимальное количество экстентов с обрезкой в томе:     62
Максимальное количество байтов с обрезкой в томе:       0x40000000
Идентификатор диспетчера ресурсов :      6FC75372-D3C3-11F1-9F41-BC2411821796

«Байтов на сегмент FileRecord: 1024» — размер записи MFT. «Начальный номер LCN в MFT2» — копия начала MFT на случай повреждения.

Альтернативные потоки данных (ADS). У файла NTFS может быть несколько потоков: основной (:$DATA) — его содержимое, и именованные. Windows пользуется этим каждый день: браузер, скачав файл, записывает в поток Zone.Identifier, откуда он пришёл. ZoneId=3 — из интернета; поэтому при запуске такого файла Windows предупреждает об опасности, а в его свойствах есть флажок «Разблокировать»:

PS> Set-Content S:\setup.exe "программа"; Set-Content S:\setup.exe -Stream Zone.Identifier "[ZoneTransfer]`nZoneId=3"
PS> Get-Item S:\setup.exe -Stream * | Select-Object Stream, Length
Stream          Length
------          ------
:$DATA              11
Zone.Identifier     25
PS> Get-Content S:\setup.exe -Stream Zone.Identifier
[ZoneTransfer]
ZoneId=3
PS> cmd /c dir /r S:\setup.exe | findstr setup
31.10.2026  11:10                11 setup.exe
                                 25 setup.exe:Zone.Identifier:$DATA
PS> Unblock-File S:\setup.exe; Get-Item S:\setup.exe -Stream * | Select-Object Stream, Length
Stream Length
------ ------
:$DATA     11
PS> Set-Content R:\setup.exe -Stream Zone.Identifier "ZoneId=3"
Set-Content : Не удается открыть дополнительный поток данных "Zone.Identifier", связанный с файлом "R:\setup.exe".

dir /r показывает потоки, Unblock-File удаляет метку — то же, что флажок «Разблокировать». На FAT32 потоков нет: скопируйте скачанный файл на флешку — и метка пропадёт. Потоки умеют прятать и вредоносные программы: данные в них не видны в Проводнике и не учитываются в размере файла.

Сжатие — NTFS сжимает файл прозрачно для программ: они читают и пишут как обычно. Хорошо сжимаются тексты и журналы, плохо — уже сжатые архивы, фото и видео:

PS> (Get-Item S:\log.txt).Length
2568895
PS> compact /c S:\log.txt
 Сжатие файлов в S:\

log.txt               2568895 :    483328 = 5,3 к 1 [OK]

Сжато файлов: 1, в каталогах: 1
Данные объемом 2 568 895 байт сохранены в 483 328 байт.
Степень сжатия 5,3 к 1.

Журнал на 2,5 МБ занял на диске около 0,5 МБ. В Проводнике то же: Свойства → Другие → Сжимать содержимое; сжатые файлы показаны синим именем.

Права доступа — список ACL у каждого файла: кому что разрешено. На FAT32 его нет: Get-Acl показывает фиктивное «Все — полный доступ». Поэтому флешка с FAT32 или exFAT не защищает файлы — кто взял, тот и прочитал. Права NTFS подробно — в разделе 10:

PS> (Get-Acl S:\report.txt).Access | Select-Object IdentityReference, FileSystemRights | Format-Table -AutoSize
IdentityReference                          FileSystemRights
-----------------                          ----------------
BUILTIN\Администраторы                          FullControl
NT AUTHORITY\СИСТЕМА                            FullControl
NT AUTHORITY\Прошедшие проверку         Modify, Synchronize
BUILTIN\Пользователи            ReadAndExecute, Synchronize
PS> Get-Acl R:\report.txt
    Каталог: R:\


Path       Owner Access
----       ----- ------
report.txt Все   Все Allow  -1

Создание файла — несколько записей в разные места: запись в каталог, запись в MFT, отметка занятых кластеров. Если питание пропадёт посередине, ФС окажется в противоречивом состоянии: место занято, а файла нет, или наоборот. FAT32 после такого требует полной проверки диска, и часть данных может пропасть.

Журналируемая файловая система (NTFS, ext4) сначала записывает в журнал, что собирается изменить, потом меняет, потом отмечает в журнале, что закончила. После сбоя ей достаточно просмотреть журнал: незавершённые операции отменяются или доделываются за секунды. Журналируются обычно только метаданные — структура ФС остаётся целой, хотя последние записанные в файл данные могут пропасть.

Проверка тома в Windows — chkdsk. Без ключей он только читает и сообщает о проблемах (строки хода выполнения в выводе убраны):

PS> chkdsk S:
Тип файловой системы: NTFS.
Метка тома: NTFS.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Параметр F не указан.
CHKDSK выполняется в режиме только чтения.
Этап 1. Проверка базовой структуры файловой системы...
  Обработано записей файлов: 256.
Проверка файлов завершена.
  Обработано больших файловых записей: 0.
  Обработано поврежденных файловых записей: 0.
Этап 2. Проверка связей имен файлов...
  Обработано записей повторного анализа: 1.
  Обработано записей индекса: 278.
Проверка индексов завершена.
  Проверено неиндексированных файлов: 0.
  Восстановлено неиндексированных файлов в утерянное и найденное: 0.
  Обработано записей повторного анализа: 1.
Этап 3. Проверка дескрипторов безопасности...
Проверка дескрипторов безопасности завершена.
  Обработано файлов данных: 11.
Windows проверила файловую систему и не обнаружила проблем.
Дальнейшие действия не требуются.
    724927 КБ всего на диске.
     40772 КБ в 11 файлах.
        76 КБ в 13 индексах.
         0 КБ в поврежденных секторах.
      5191 КБ используется системой.
      4496 КБ занято под файл журнала.
    678888 КБ свободно на диске.
      4096 байт в каждой единице распределения.
Всего единиц распределения на диске:     181231.
Доступно единиц распределения на диске:     169722.

chkdsk S: /f исправляет ошибки, но требует, чтобы том никто не использовал. Для системного диска C: проверка назначается на следующую перезагрузку. В Linux то же делает fsck — только на отмонтированном томе; корневую ФС система проверяет сама при загрузке.

В ext4 о каждом файле хранится inode (индексный дескриптор) — запись с номером, где есть всё, кроме имени: тип, права, владелец, размер, даты, число ссылок и экстенты с данными. Имя хранится в каталоге: каталог — просто таблица «имя → номер inode». Создадим ext4 на файле-образе в 100 МБ — для этого права администратора не нужны:

$ truncate -s 100M fs.img
$ mkfs.ext4 fs.img
mke2fs 1.47.2 (1-Jan-2025)
Discarding device blocks:      0/102400             done                            
Creating filesystem with 102400 1k blocks and 25584 inodes
Filesystem UUID: 2517981b-f4ee-4d8b-93b6-9ef0f9b92696
Superblock backups stored on blocks: 
	8193, 24577, 40961, 57345, 73729

Allocating group tables:  0/13     done                            
Writing inode tables:  0/13     done                            
Creating journal (4096 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information:  0/13     done

$ dumpe2fs -h fs.img 2>/dev/null | grep -E "^(Filesystem volume name|Inode count|Block count|Block size|Free inodes|Inode size|Journal size|Filesystem features)"
Filesystem volume name:   <none>
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index orphan_file filetype extent 64bit flex_bg metadata_csum_seed sparse_super large_file huge_file dir_nlink extra_isize metadata_csum
Inode count:              25584
Block count:              102400
Free inodes:              25572
Block size:               1024
Inode size:               256
$ debugfs -R "ls -l /" fs.img 2>/dev/null
      2   40755 (2)      0      0    1024 31-Oct-2026 11:10 .
      2   40755 (2)      0      0    1024 31-Oct-2026 11:10 ..
     11   40700 (2)      0      0   12288 31-Oct-2026 11:10 lost+found

Размер блока здесь 1 КБ (Block size: 1024): для маленьких томов mkfs.ext4 выбирает мелкий блок, для обычных дисков — 4 КБ. Число inode задаётся при создании ФС и потом не меняется: на этом томе 25 584 inode, значит, больше 25 584 файлов на нём не будет, даже если место ещё есть. Список возможностей (features) начинается с has_journal — у ФС есть журнал. debugfs читает ФС прямо из образа: корневой каталог — всегда inode 2, папка lost+found (сюда fsck складывает найденные потерянные файлы) — inode 11.

Номер inode показывает ls -i, все сведения — stat:

$ echo "отчёт за октябрь" > report.txt
$ ls -li
итого 4
223332 -rw-rw-r-- 1 student student 31 окт 31 11:10 report.txt
$ stat report.txt
  Файл: report.txt
  Размер: 31        	Блоков: 8          Блок В/В: 4096   regular file
Устройство: 0/35	Инода: 223332      Ссылки: 1
Доступ: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/  student)   Gid: ( 1000/  student)
Доступ:        2026-10-31 11:10:51.435187390 +0300
Модифицирован: 2026-10-31 11:10:51.435187390 +0300
Изменён:       2026-10-31 11:10:51.435187390 +0300
Создан:        2026-10-31 11:10:51.435187390 +0300

Теперь ссылки. ln создаёт жёсткую ссылку — второе имя для того же inode, ln -s — символическую, которая хранит путь:

$ ln report.txt copy.txt
$ ln -s report.txt link.txt
$ ls -li
итого 8
223332 -rw-rw-r-- 2 student student 31 окт 31 11:10 copy.txt
223333 lrwxrwxrwx 1 student student 10 окт 31 11:10 link.txt -> report.txt
223332 -rw-rw-r-- 2 student student 31 окт 31 11:10 report.txt
$ rm report.txt
$ cat copy.txt
отчёт за октябрь
$ cat link.txt
cat: link.txt: Нет такого файла или каталога
$ ls -li
итого 4
223332 -rw-rw-r-- 1 student student 31 окт 31 11:10 copy.txt
223333 lrwxrwxrwx 1 student student 10 окт 31 11:10 link.txt -> report.txt

У report.txt и copy.txt один номер inode (первый столбец) и счётчик ссылок 2 (третий столбец). У link.txt свой inode и тип l. После удаления report.txt данные живы под именем copy.txt — счётчик стал 1; inode и данные освободятся, только когда он станет 0. А символическая ссылка указывает на имя, которого больше нет, — она «повисла».

Кончиться может не только место, но и inode: df -h показывает свободное место, df -i — свободные inode. Если миллионы мелких файлов (кэш, сессии) съели все inode, запись невозможна, хотя гигабайты свободны.

В Windows каждый том получает букву, а дисков-«корней» много: C:, D:, S:. Том можно подключить и в пустую папку на NTFS: Управление дисками → правая кнопка по тому → Изменить букву диска или путь → Добавить → Подключить том как пустую NTFS-папку.

В Linux дерево одно, с корнем /, и каждый том монтируется в какой-нибудь каталог этого дерева. Устройства дисков — файлы в /dev; буква b в начале строки — блочное устройство:

$ ls -l /dev/sda /dev/sda1
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 авг 26 09:37 /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 1 авг 26 09:37 /dev/sda1

Что куда смонтировано, показывают findmnt и df, а что монтировать при загрузке — файл /etc/fstab:

$ findmnt -t ext4,vfat,swap -o TARGET,SOURCE,FSTYPE,OPTIONS
TARGET SOURCE    FSTYPE OPTIONS
/      /dev/sda1 ext4   rw,relatime,errors=remount-ro
$ df -hT -x tmpfs -x devtmpfs
Файловая система Тип  Размер Использовано  Дост Использовано% Cмонтировано в
/dev/sda1        ext4    30G          27G  1,4G           96% /
$ df -i /
Файловая система  Iнодов IИспользовано IСвободно IИспользовано% Cмонтировано в
/dev/sda1        1986768        443931   1542837            23% /
$ grep -v "^#" /etc/fstab
UUID=97c23eb6-eee2-49d6-917b-29ce316c376b /               ext4    errors=remount-ro 0       1
UUID=8811aaa5-3acc-461c-8198-304232ebf932 none            swap    sw              0       0
/dev/sr0        /media/cdrom0   udf,iso9660 user,noauto     0       0

В /etc/fstab по строке на том: что (по UUID — уникальному номеру ФС, он не меняется, даже если диск переставят в другой разъём), куда, тип, параметры, нужно ли архивировать и в каком порядке проверять при загрузке. errors=remount-ro — при ошибке ФС перемонтировать корень только для чтения, чтобы не испортить данные. Вручную том монтируют командой sudo mount /dev/sdb1 /mnt/data, образ-файл — sudo mount -o loop fs.img /mnt/data, отключают — sudo umount /mnt/data.

На этом сервере занято 96 % корневой ФС — пора разбираться, чем. Начинают с du -sh /var/* | sort -h: чаще всего место съедают журналы и кэши.

Частый вопрос: «Почему фильм на 5 ГБ не копируется на флешку, хотя на ней 30 ГБ свободно?» Флешка отформатирована в FAT32, а там файл не может быть больше 4 ГБ. Сбивает с толку то, что Windows в этом случае пишет «Недостаточно места на диске» (ошибка 112) — мы проверили: на томе FAT32 с 6 ГБ свободного места файл 4,5 ГБ не создаётся с этой ошибкой, а на exFAT и NTFS создаётся. Решение — переформатировать её в exFAT (данные сначала скопировать).