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ファイル管理システム（アクセス権，ＦＡＴ，ＮＴＦＳ）

磁気ディスクには多数のファイルが保存されています。例えば，index.html という名前のファイルが物理的に磁気ディスクのどの個所にあるかを管理するする方式について学習します（ここでは，磁気ディスクを例にして説明しますが，この方式は外部記憶装置全般に利用されています）。
　また，誤操作や不正の防止などの観点から，ファイルへのアクセスを制限することもＯＳの重要な機能です。その設定についても学習します。

キーワード

ＦＡＴ，ＮＴＦＳ，クラスタ，アクセス権

ファイル管理とは

ファイル管理は、ＯＳが担当する主要な機能の一つで、次のような機能をもっています。それらの機能をソフトウェアとして実装したのがファイル管理システムです。

レガシーシステムではＯＳがレコード管理機能を持っていました（データ管理ともいいます）が、現在の主流であるオープン系システムではＯＳによる管理はファイルシステムまでであり、各ファイル内のファイル構造は、アプリケーションが管理しています。ファイルの拡張子である txt や jpeg などがそのアプリケーションを示しています。

ファイルの論理的な指定
ディスクには，index.htmlやfat-ntfs.gifなど多くのファイルが記録されています。それらのファイルが物理的にディスクのどの場所にあるのかを管理する必要があります。そしての情報は，ファイル創成・更新・廃棄などの操作により変化します。それを管理するのがファイル管理です。
ここではディスクを対象にした説明ですが，ファイル管理はＳＳＤやＵＳＢメモリなど外部記憶装置全般に適用されています。スマートフォンやカメラなどをパソコンにつなぐと、パソコンからそれらのファイルが操作できるのもファイル管理システムの働きです。
物理的格納管理
ファイルの格納媒体である磁気ディスクなどでのパーティション分割、セクタ管理などを行います。また、ファイルを圧縮して格納する機能もあります。
ファイルへのアクセス制御
ファイルへのアクセス権（読込、書込、実行）を、そのファイルの所有者、グループ、第三者について指定することができます。
ファイルの維持・回復
ファイルが破壊したり更新に失敗したときに、先に保存していたファイルの状況に回復する機能です。この機能は特にデータベースで重要ですが、ＯＳよりもデータベース管理システムの機能になります。

ファイルの物理的格納場所と論理的格納場所

クラスタ：物理的なファイル格納場所

ディスクは，同心円のトラックを固定長に区切ったセクタを単位にデータを記録し，読み書きしています（参照：磁気ディスクの容量計算）。
　しかし，１セクタの容量は５１２バイトであり，ファイルのサイズはそれよりはるかに大きいので，セクタを単位にファイル管理を行うのは不適切です。それで，複数個のセクタをまとめてクラスタとし，そのクラスタとファイルを関係づけています。

クラスタとファイルの関係
すなわち，クラスタはファイルに割り当て可能なディスクの最小論理単位です。１つのファイルは，１個のクラスタあるいは複数のクラスタに割り当てられ，１個のクラスタには複数のファイルは割り当てることはできません。
クラスタとセクタの関係
クラスタとセクタの関係は，クラスタは論理的にはセクタが連続しているように扱われますが，物理的には必ずしも連続したセクタにはなっていません（連続しているほうがアクセス速度がよいのですが）。
　１ファイルで最低１クラスタを占有するのですから，できるだけクラスタサイズ（セクタ数）を減らすこうが容量の有効活用ができます。逆に，１ファイルを構成するクラスタ数が少ないほうが管理のためのオーバーヘッドが少なくなり処理速度が向上します。
　仮想記憶方式のページングなど，ディスクのアクセスでは４ｋＢ単位のことが多いのですが，この場合，１クラスタを８セクタとしている（８[セクタ]×５１２[バイト/セクタ]＝４ｋＢ）のです。
最大クラスタ数と最大クラスタサイズ
クラスタの個数は，ファイル管理システムにより制限されます。初期のＦＡＴ（ＦＡＴ１６）では，最大クラスタ数は２16＝65,525個でした。そして最大クラスタサイズは２16-1＝ 32,768 バイトでした。そのため，ディスク（パーティション）の最大容量は，65,525×32,768＝２ＧＢに制限されていたのです（これはＦＡＴ３２やＮＴＦＳで大幅に緩和されました）。

ディレクトリ：論理的なファイル格納場所

例えば、このページを見るには、… webtext/hs-fat-ntis/index.html と記述します。これは、フォルダwebtext内のフォルダhs-fat-ntisにあるファイルindex.htmlを指しており、このような階層をディレクトリといい、このような記述で該当ファイルを指定するのをパスといいます。パソコンにあるファイルを指定するのでもディレクトリを使います。
　このように、ファイル管理は、物理的な格納場所と論理的な格納場所を対応付ける機能をもっています。

ディレクトリの詳細は、「ディレクトリ」にあります。

ファイルやフォルダへのアクセス権設定

アクセス権とは，どのファイル（フォルダ，ディレクトリ）に関して，誰に，どのようなアクセスを許可するかということです。その設定は，ＯＳによりやや異なりますが，ここではＵＮＩＸを例にして基本事項を示します。

アクセス権の種類と表記

アクセス権には次の３つがあります。
　　ｒ：読込（Read）
　　ｗ：書込（Write）
　　ｘ：実行（eXecute）プログラムなどの実行はできるが読み書きはできない
　これを組み合わせて次のように３文字で権限を表します。ｒ→ｗ→ｘの順に記述，－は権限を与えないことを示します。
　　ｒｗｘ：すべての権限を与える
　　ｒ－ｘ：読むことと実行することができるが，書き込み（更新）はできない
　　ｒｗ－：読み書きできる（プログラムでなければｘは無関係）
　　－－ｘ：読み書きはできないがプログラムの実行だけはできる
　　－－－：アクセスできない

これを一つの数値で表現することもあります。ｒを４，ｗを２，ｘを１とした合計値を用います。
　　ｒｗｘ＝７（４＋２＋１）
　　ｒ－ｘ＝５（４＋１）
　　ｒｗ－＝６（４＋２）
　　－－ｘ＝１
　　－－－＝０

対象者の区分

アクセス権を与える対象者を次の３つに区分します。
　　所有者
　　グループ：所有者が設定したグループに所属するメンバ全員
　　その他：グループに属さない人
　それぞれに設定した上述の３文字を所有者→グループ→その他の順に並べて９文字にすることにより，全体のアクセス権を示すことができます。また，所有者，グループ，その他の数値をそれぞれ１００，１０，１の位にすることにより，数値で表現することができます。
　　ｒｗ－ｒｗ－ｒ－－（６６４）：所有者およびグループは読み書きできるが，その他は読むだけで書けない。
　　ｒｗ－ｒ－－－－－（６４０）：書込みができるのは所有者だけ，グループは読むだけ、その他はアクセス不可

なお，実際にはこの９文字の前に，ファイルの削除・ファイル名の変更の権限を示す１文字のスティッキ・ビットを加えた１０文字にするのですが，それに関しては省略します。

ファイル管理システム

残念なことに、ＯＳによりファイル管理システムが異なります。Windowsでは，ＦＡＴ（File Allocation Table）とその発展方式であるＮＴＦＳ（NT File System）というファイル管理システムが使われています。MacではＨＦＳ＋，ＵＮＩＸではＦＦＳ，汎用コンピュータではＶＴＯＣなどがあります。ここでは，まず初期のＦＡＴを例にしてファイル管理システムの基本を説明し，その発展については現在広く利用されているＮＴＦＳを例にします。

この節は，ファイル名とディスクでの物理的な格納場所（格納されているセクタ番号）の関連に関する基本事項ですが，私たちのレベルを超える事項ですので，イメージを理解するだけで十分です。また，厳密な記述にはなっていません。

ＦＡＴの構造

ＦＡＴでは，ディスクの内部に，次のような構造で情報が格納されています。このディスクにアクセスしたとき，ＯＳは，これらの情報を得てファイルを読み出したり書き込んだりします。そしてファイルの生成や削除をしたときに，これらの情報を書き換えます。

　　　　　　ＭＢＲ
　　　　　　┌─────────────┐
　　　　┌─┼─パーティション１の定義　│
　　　　│　│　パーティション２の定義─┼─┐
　　　　│　└─────────────┘　│
　　　　│　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　│　パーティション１　　　　　　　　│　パーティション２
　　　　│　┌───────────┐　　　│　┌───────────┐
　　　　└→│　ＤＰＢ　　　　　　　│　　　└→│　ＤＰＢ　　　　　　　│
　　　　　　│　ＦＡＴ部　　　　　　│　　　　　│　ＦＡＴ部　　　　　　│
　　　　　　│　ルートディレクトリ　│　　　　　│　ルートディレクトリ　│
　　　　　　├───────────┤　　　　　├───────────┤
　　　　　　│　　　　　　　　　　　│　　　　　│　　　　　　　　　　　│
　　　　　　│　データ部　　　　　　│　　　　　│　データ部　　　　　　│
　　　　　　│　　　　　　　　　　　│　　　　　│　　　　　　　　　　　│
　　　　　　└───────────┘　　　　　└───────────┘

ＭＢＲ（Master Boot Recode）
ディスクのセクタ０にはＭＢＲが格納されています。ディスク内部をＣ：やＤ：のように複数のパーティションに分割することがあります。ＭＢＲでは，それぞれのパーティションの先頭セクタ番号やセクタ数などの情報が格納されています。
ＤＰＢ（Device Parameter Block）
ブートセクタともいいます。該当パーティションに関する情報が格納されています。
１つのパーティションが１つのドライブとして扱われるので，１トラックのセクタ数，１セクタのバイト数，ヘッド数，１クラスタのセクタ数など，ディスクの仕様などが格納されます。また，該当パーティションに特有な，物理ドライブ番号や「ＦＡＴ１６」などの管理システム名なども格納されます。
ルートディレクトリ
このパーティションンに記録されている個々のファイルについて，ファイル属性（システムファイル，読み取り専用，識別子など）や履歴（生成日時，更新日時など）が格納されています。
また，ファイルが存在する先頭のクラスタ番号が格納されており，これによってファイル名とディスクでの記録位置が対応付けらます。
ＦＡＴ部
ルートディレクトリにより，そのファイルが格納されている先頭クラスタ番号が与えられますが，ファイルが１クラスタに収まらないときは，その次に格納したクラスタ番号を格納することにより，論理上連続したように取り扱うことができます。
例えば，ファイルＡがクラスタ番号３のクラスタだけで格納され，ファイルＢは番号６と番号５の２つのクラスタに格納されている場合，次のような配列になります。
　クラスタ番号　０　　　　１　　　　２　　　３　　　４　　　５　　　６　　　７　　　８
　　　　　　┌────┬────┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬─
　　　　　　│特定用途│特定用途│未使用│Ａ終端│未使用│Ｂ終端│　５　│未使用│未使用│
　　　　　　└────┴────┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴─
データ格納セクタの特定
ここまででファイルが格納しているクラスタが特定できました。しかし，物理的な格納場所であるセクタは特定できません。しかも，クラスタに含まれるセクタは連続していないこともあります。セクタを特定するには，ＦＡＴ番号とクラスタ番号などから計算するのだそうですが，私は理解していないので省略します。

ＮＴＦＳ

ＦＡＴはマイクロソフトが開発したもので，ＦＡＴ１２（初期のMS-DOS）→ＦＡＴ１６（MS-DOS 3.x）→ＦＡＴ３２（Windows95）へと発展してきました。そして，WindowsNT系のＯＳ用に開発しのがＮＴＦＳ（NT File System）で，これが現在の Windows での標準システムになっています。 　ＮＴＦＳは，ＦＡＴと比較して，次のような利点があります。

大容量化
先に「ＦＡＴ１６では，１つのパーティションサイズが最大２ＧＢに限定されていた」と述べましたが，ＦＡＴ３２では，最大クラスタ個数が２３２＝約４３個になり，２ＴＢまでのパーティションを管理できるようになりました。
１ファイルの大きさは，ＦＡＴ３２では２ＧＢに限定されていましたが，ＮＴＦＳでは理論的には１６エクサ（１０１８）Ｂまで拡大されました。
また，個々のファイルやフォルダごとに圧縮機能を適用できるようになり，ディスクの容量を見かけ上増やすことができます。
セキュリティ機能
個々のファイルやフォルダごとにアクセス権の設定や暗号化をすることができます。

ＮＴＦＳの欠点は，Windows以外のＯＳとは非互換なことです。ＦＡＴはマイクロソフト製品ですが，MacOSやＵＮＩＸなどWindows以外のＯＳでのファイル管理システムでも，基本的にはＦＡＴ形式のファイルを取り扱えるのですが，ＮＴＦＳ形式のファイルを他のＯＳでアクセスするには，面倒な処理を行う必要があり，それでも不可能なことがあります。