(High Performance File System) System plików HPFS (High Performance File System)

Ogólnie o systemie plików Jednostką objętości zapisu na dysku jest sektor, mieszczący 512 bajtów danych, a wraz z nimi również dane nadmiarowe zapewniające skuteczną korekcję błędów odczytu. Każdy z systemów operacyjnych ma własny, specyficzny system opisu danych na dysku, zwany systemem plików. Niektóre, bardziej zaawansowane systemy operacyjne są w stanie posługiwać się równolegle kilkoma systemami plików dyskowych np. Unix.

Historia HPFS – system plików dla OS/2 HPFS został zaprojektowany przez IBM i Microsoft pod koniec lat osiemdziesiątych, dla potrzeb nowoczesnego systemu operacyjnego, realizowanego wówczas wspólnie przez obydwie firmy – OS/2. W przeciwieństwie do FAT – wymyślonego w 1977 r. do obsługi dyskietek – HPFS był od początku przeznaczony do efektywnej obsługi nawet bardzo dużych dysków twardych. W HPFS'ie przyjęto stałą jednostkę alokacji równą jednemu sektorowi (512 bajtów), co pozwoliło, w stosunku do systemu FAT, wydatnie zmniejszyć ilość marnowanego miejsca na dysku twardym. Dodatkowo do adresowania jednostek alokacji wykorzystano 32 bitowy adres, co pozwoliło na zwiększenie obsługiwanej pojemności nośnika do 2 TB (2^32*512 bajtów).

Struktura HPFS boot block, super block, spare block. Podczas inicjalizacji dysku twardego system plików HPFS rezerwuje pierwszych 18 sektorów i zapisuje w nich tzw. : boot block, super block, spare block. Te trzy struktury są później wykorzystywane do startu systemu operacyjnego, zarządzania systemem plików (np. informacje statystyczne o użytkowaniu plików, przeznaczone do wykorzystania przez inteligentny, interaktywny system buforowania operacji dyskowych) oraz usuwania mogących się pojawić błędów (mechanizmy ochrony zapisu przed uszkodzeniem).

Struktura HPFS c.d. HPFS dzieli dysk na pasma o pojemności 8 MB (16 384 sektory), przedzielone mapą bitową zajętości sektorów w paśmie o rozmiarze 16 KB (32 sektory), zwane bitmapami. Każda bitmapa zawiera jeden bit dla każdej jednostki alokacji plików (równoważnej jednemu sektorowi) w ośmiomegabajtowym paśmie. System operacyjny, podczas każdej operacji zapisu na dysku, ustawia odpowiednie bity bitmapy, zaznaczając, które z sektorów dysku są zajęte. Bitmapy są alternatywnie rozmieszczone na końcu i początku każdego z pasm, zwiększając tym samym maksymalną długość nieprzerwanej przestrzeni (prawie 16 MB zamiast 8 MB). Jedno pasmo, położone możliwie blisko geometrycznego środka dysku, zarezerwowane jest do przechowywania opisów katalogów, w tym katalogu głównego – po jego wypełnieniu katalogi mogą być zakładane również w innych miejscach dysku.

HPFS - Fnode Kluczową dla HPFS strukturą danych jest tzw. Fnode, czyli położony możliwie blisko samego pliku przechowywanego na dysku rekord, opisujący parametry i położenie pliku (lub folderu). Jeżeli jest on niewystarczający do opisu położenia lub tzw. atrybutów rozszerzonych, mogących przechowywać dowolne informacje wykorzystywane przez system plików lub aplikację – takie jak np. ikona pliku czy położenie okna na ekranie, na dysku tworzone są dodatkowe struktury pomocnicze. Razem z plikiem gromadzone są też informacje statystyczne pozwalające na zoptymalizowanie pracy cache'a dyskowego.

B-Tree (drzewo binarne) Inną funkcją, która bezpośrednio wpływa na szybkość działania HPFS’u, jest użycie struktur b-tree (binary tree - "drzewa" zawierającego opis katalogu głównego i pozostałych katalogów) w celu przechowywania nazw plików. Zawartość katalogów jest posortowania i przechowywana w 2 KB blokach, tworząc strukturę tzw. sterty. Przeszukiwanie katalogów jest niezwykle szybkie, ponieważ nazwy zbiorów są ułożone w porządku alfabetycznym. Struktura b-tree ma również tendencję do zwiększania raczej szerokości niż głębokości, przez co przyczynia się do niewielkiego spadku prędkości przeszukiwania zawartości bardzo dużych katalogów. Główną wadą takiego rozwiązania jest stosunkowo długi czas zakładania nowych plików, wynikający z konieczności każdorazowej rekonfiguracji drzewa katalogowego. Opis nazwy plików lub folderów może zawierać do 256 znaków.

Cechy HPFS Posiada: wbudowany cache, W przeciwieństwie do FAT, HPFS definiuje nie tylko ułożenie danych na dysku, ale także sposób korzystania z niego. Posiada: wbudowany cache, mechanizmy minimalizowania fragmentacji, mechanizmy ochrony przed uszkodzeniem,

Mechanizmy minimalizowania fragmentacji Podczas normalnej pracy system HPFS planuje, gdzie zapisać nowe pliki, pozostawiając wolną przestrzeń pomiędzy nowymi i istniejącymi już zbiorami. Zatem każdy plik ma miejsce na ewentualne powiększenie rozmiaru bez potrzeby jego fragmentacji, co powoduje wysoki stopień ciągłości danych, a także niezawodność.

Mechanizmy ochrony przed uszkodzeniem weryfikacja zapisu, HotFix   CHKDSK,   automatyczna kontrola struktury dysku

Weryfikacja zapisu CHKDSK Po wykonaniu operacji zapisu danych do sektora, sprawdzana jest ich poprawność co powoduje wydłużenie czasu zapisu. CHKDSK System wykrywania i likwidowania "zagubionych" jednostek alokacji. 

HotFix Gdy podczas operacji zapisu danych na dysk system stwierdzi, że sektory przeznaczone do składowania danych są uszkodzone, ich zawartość jest automatycznie ("na gorąco") przenoszona do obszaru rezerwowego, a informacja o uszkodzeniu danych sektorów jest zapisywana w strukturze nadrzędnej, co powoduje ich pomijanie przy następnej próbie zapisu. 

Automatyczna kontrola struktury dysku W przypadku wykrycia nieprawidłowego zakończenia pracy systemu specjalne identyfikatory kluczowych wewnętrznych struktur danych oraz dublowanie niektórych informacji w różnych strukturach (np. początkowych fragmentów nazw plików w katalogu i Fnode) umożliwiają natomiast automatyczne odtworzenie struktury dysku nawet w przypadkach ciężkich awarii.

Rozszerzone atrybuty plików Jedną z ważniejszych cech HPFS jest to, że plikom można przypisać dodatkowe, tzw. rozszerzone atrybuty (Extended Attributes). Zwiększono tym m.in. możliwości obsługi zabezpieczeń. Atrybuty te są np. używane przez HPFS386 (32-bitowa wersja HPFS przeznaczona dla serwerów sieciowych z oprogramowaniem LAN Manager 2.1) do przechowywania informacji o uprawnieniach dostępu do pliku, zarówno lokalnych jak i zdalnych.

Podsumowanie HPFS rozwiązuje wiele problemów, jakie stwarzał FAT, a najlepiej sprawuje się na partycjach o wielkości od 200 do 400 MB, teoretycznie dopuszczalne jest stworzenie pliku o maksymalnym rozmiarze 7,68 GB, ale wielkość tę ograniczono do 2 GB, w nazwach plików małe i wielkie litery nie są rozróżniane, w OS/2 mogą działać DOS-owe aplikacje, ale "nie widzą" one plików zapisanych na partycji HPFS z długimi nazwami, bardzo dobrze sprawdza się przy obsłudze wielu małych plików - zwłaszcza przy wykorzystaniu opcji cache, która wymaga jednak, aby system zawsze był zamykany poleceniem zakończenia pracy (Shutdown) z Desktop Managera, Windows NT 3.1, 3.5 i 3.51 także pracowały na HPFS (jednak bez hot-fixingu oraz zabezpieczeń), ale Microsoft wycofał tę opcję w wersji 4.0, Kontynuacją tej technologii jest stworzony przez Microsoft NTFS.