A számítástechnika egy fájlrendszer alatt a számítógépes fájlok tárolásának és rendszerezésének a módszerét érti, ideértve a tárolt adatokhoz való hozzáférést és az adatok egyszerű megtalálását is. A fájlrendszerek használhatják az adattároló eszközöket, mint a merevlemez vagy CD-ROM és használhatók a fájlok fizikai elhelyezésének karbantartására is, valamint szervereken lévő adatokhoz való hozzáférést is biztosíthatnak hálózati protokollok segítségével (pl., NFS, SMB, vagy 9P kliensek), vagy lehetnek virtuálisak és csak a virtuális adatokhoz való hozzáférési mód miatt léteznek csak (például procfs).
Precízebben meghatározva: egy fájlrendszer absztrakt adattípusok halmaza, amelyeket adatok tárolására, hierarchikus rendezésére, kezelésére, megtalálására illetve navigálásra, hozzáférésre, és visszakeresésére valósítottak meg. Vita tárgya, hogy egy fájlrendszer tekinthető-e egy speciális adatbázis-kezelő rendszernek (DBMS), vagy nem. Tény ugyanakkor, hogy több fájlrendszer megosztása alapvetően az adatbázis technológiák jellemzője.
Fájlrendszerek osztályozása A legismertebb fájlrendszerek egy adattároló eszköz segítségével biztosítják, hogy elérhető legyen egy fix méretű blokkokból (blokk méret) álló sorozata (ezeket az általában 512 byte méretű blokkokat gyakran szektoroknak is nevezik). A fájlrendszer szoftvere biztosítja, hogy ezeket a szektorokat fájlokká, és katalógusokká szervezze össze, és tartsa nyilván, melyik szektor melyik fájlhoz tartozik, és melyik szektorok nem használhatók már tárolásra.
Ennek ellenére egy fájlrendszernek nem kell tárolóberendezést használnia mindenre. Egy fájlrendszer használható az adatok szervezésére és megjelenítésére is, ha azok tárolása vagy elérése dinamikusan történik (például hálózati kapcsolat segítségével).
Egy fájlrendszer akár használ, akár nem használ tárolóberendezést, általában rendelkezik egy szótárral, amely összekapcsolja a fájlneveket a fájlokkal. Általában az összekapcsolás indexeléssel történik, a fájlnév egy index vagy egy fájl elhelyezési táblában, amilyen például az MS-DOS fájlrendszerében a FAT tábla (a FAT a File Allocation Table rövidítése), vagy egy (inode) a Unix-szerű fájlrendszereknél. A szótárstruktúra lehet egyszerű vagy megenged hierarchiákat, amikor a szótárak al-szótárakat tartalmazhatnak. Néhány fájlrendszer esetében a fájlnevek strukturáltak, speciális szintaktikával, (például fájlnév, kiterjesztés, verziószám). Más rendszereknél a fájlnév egyszerű string, és fájlonként a metaadatok másutt vannak tárolva.
A hierarchikus fájlrendszereket Unix környezetben Dennis Ritchie alapozta meg; az első megvalósítások csak néhány szintet engedtek meg, az igaz az IBM egyik korai adatbázisára, az IMS-re is. A Unix sikerei után Ritchie kiterjesztette a fájlrendszer koncepcióját minden objektumra a későbbi fejlesztések során, mint például a Plan 9 a Bell Labs-tól és az Inferno.
A hagyományos fájlrendszerek még egyéb szolgáltatásokat is nyújtanak: létrehoznak, mozgatnak vagy törölnek fájlokat vagy katalógusokat. Hiányoznak viszont a szolgáltatásaik közül a katalógusok közötti többszörös kapcsolatok (beégetett kapcsolat a Unix-ban), a szülő kapcsolat átnevezése (".." a Unix-szerű operációs rendszereknél), és a fájlok közötti kétoldalú kapcsolatok létrehozási lehetősége is.
A hagyományos fájlrendszerek gyakran biztosítják a csonkolás (truncate), a kibővítés (append to), a létrehozás (create), a mozgatás (move), a törlés (delete) és a helyben módosítás funkciókat a fájlokra. Nem támogatják viszont a csonkolás a fájl elejétől funkciókat, de esetleg megengednek korlátlan beszúrást a fájl tetszés szerinti helyén, vagy törlést a fájlon belül. A műveletek általában nagyon aszimmetrikusak, és nem nagyon használhatók nem várt eseteknél. Például, a folyamatok közötti csövet a Unix a fájlrendszeren kívül valósította meg, és nem is ajánlja a csonkolást a fájl elejétől.
A fájlrendszerek biztonsági megoldásai általában a hozzáférési ellenőrző listás (ACL) megoldásokon vagy a képességek el használatán alapulnak. A kutatások azt mutatják, hogy a hozzáférési ellenőrző listákon alapuló megoldások esetében bonyolult a biztonsági jellemzők beállítása, ezért inkább a fejlesztések a képességek használata irányába mutatnak. A kereskedelmi forgalomban lévő rendszerek általában még a hozzáférési ellenőrző listákat használnak. lásd: számítógépes biztonság
Fájlrendszertípusok A fájlrendszerek alapvetően öt osztályba sorolhatók: lemezes fájlrendszerek, adatbázis-fájlrendszerek, tranzakciós fájlrendszerek, hálózati fájlrendszerek és speciális célú fájlrendszerek.
Lemezes fájlrendszerek A lemezes fájlrendszereket úgy tervezték, hogy a fájlok tárolására a számítógépek adattároló eszközei szolgálnak, amelyek leggyakrabban lemezes egységek. Ezek az egységek közvetlenül vagy közvetett módon kapcsolódhatnak a számítógéphez. Például a lemezes fájlrendszerek közé tartozik a FAT, az NTFS, a HFS és a HFS+, az ext3, az ext4, az ISO 9660, az ODS-5 és az UDF. Néhány fájlrendszer naplózó fájlrendszerek közé sorolható, néhány viszont változatkezelő fájlrendszer.
Adatbázis-fájlrendszerek Egy új koncepció a fájlkezelésben az adatbázis alapú fájlrendszer. Ez azt jelenti, hogy a fájlok egy hierarchikus struktúrában helyezkednek el, saját jellemzőikkel azonosíthatóan, mint például fájltípus, téma, szerző, vagy egyszerű metaadat. Ezért egy fájl keresése megfogalmazható SQL-ben vagy akár természetes nyelven is, mint például a BFS-nél és a WinFS-nél.
Tranzakciós fájlrendszerek Ezek a fájlrendszerek egy teljesen speciális csoportot alkotnak: a rendszerben minden fájllal kapcsolatos eseményt vagy tranzakciót rögzítenek.
Bármilyen végrehajtott művelet valamilyen változást vagy változásokat okoz a fájlok vagy a diszkek struktúrájában. A legtöbb esetben ezek a változások kapcsolatokat érintenek, amelyeket – lehetőség szerint – azonos időben kell megváltoztatni.
Vegyük példának, hogy egy bank egy másik banknak egy elektronikus utalást küld. A bank számítógépe „küld” egy utasítást a másik bank számítógépének, hogy módosítsa a saját adatait, hogy az utalás megtörtént. Ha valamilyen okból a számítógép leáll, még mielőtt a saját feljegyzéseit módosította volna, majd újra indul, az utalás „elveszik”. Egy tranzakciós fájlrendszer képes helyreállítani az akciót a „tranzakció” újra-szinkronizálásával mindkét végponton, és korrigálja a hibát. Minden tranzakció fel lesz jegyezve és tárolva, és ez a feljegyzés mutatja meg, mi történt, hol, és mikor. Ezeket a fájlrendszereket a hibatűrő rendszerek számára tervezik és ott is alkalmazzák őket, alkalmazásuk viszont természetesen sok járulékos (belső) adminisztrációval jár.
Hálózati fájlrendszerek A hálózati fájlrendszerek olyan fájlrendszerek, amelyek úgy viselkednek, mint egy távoli fájlelérési protokollal rendelkező kliens, ami biztosítja a szerveren lévő fájl elérését. Példák hálózati fájlrendszerekre az NFS, a SMB, az AFP és a 9P protokollok, és fájlrendszer-szerű kliensek a FTP-vel és WebDAV-val működnek.
Speciális célú fájlrendszerek Speciális célú fájlrendszer alapvetően minden olyan fájlrendszer, amely sem lemezes-, sem hálózati fájlrendszer. Ezek azok közé a rendszerek közé tartoznak, ahol a fájlokat egy szoftver dinamikusan kezeli, egyben biztosítja a kommunikációt a számítógépen futó feladat(ok) és az ideiglenes fájl tárolási terület között.
Bizonyos szempontból speciális célú fájlrendszert használnak a leggyakrabban használt, fájl-centrikus operációs rendszerek, mint a Unix.
A mélyűri felfedező űrhajók, mint a Voyager–1 és a Voyager–2 egy speciális, digitális szalag-alapú fájlrendszert használnak. A modern felfedező űrhajók, mint a Cassini-Huygens egy valós idejű operációs rendszert és fájlrendszert használ. A Mars Roverek is egy valós idejű fájlrendszert használnak, amelyet flash memóriával valósítottak meg.
Fájlrendszerek és operációs rendszerek A legtöbb operációs rendszer rendelkezik fájlrendszerrel, azaz a fájlrendszer a modern operációs rendszerek integráns része. A korai mikroszámítógépes operációs rendszerekben ténylegesen elkülönült feladat volt a fájlkezelés; – ez a tény visszatükröződik az elnevezéseikben is (lásd DOS és QDOS). Néhány korai operációs rendszerben a fájlkezelő rendszer külön rendszerként jelentkezett, ezeket nevezték lemezes operációs rendszereknek. Néhány mikroszámítógépen a lemezes fájlkezelőt külön kellett betölteni az operációs rendszer mellé. A korai operációs rendszerek általában csak egy, nekik készült fájlkezelő rendszert támogattak, ami többnyire névtelen volt; például a CP/M csak a saját fájlkezelő rendszerét támogatta, amit „CP/M file system” néven ismerünk, de így szinte senki sem nevezte.
A fentiek miatt szükségessé vált, hogy legyen egy interfész az operációs rendszer, a fájlkezelő rendszer és a felhasználó között. Ez az interfész lehet szöveges (amit egy parancssoros felhasználói felület biztosít, mint például a Unix shell, vagy OpenVMS DCL) vagy grafikus (mint amit egy grafikus felhasználói felület biztosít, mint például a fájlkezelők). Ha grafikus, akkor megfelel valamilyen gyakran használt mappaábrázolásnak, ami dokumentumokat és egyéb fájlokat, illetve beágyazott mappákat is tartalmazhat.
Egyszerű fájlrendszerek Az egyszerű fájlrendszerek esetében nincsenek katalógusok – minden azonos szinten (gyökér) rögzítődik, (a hordozó szintjén), legyen az merevlemez, hajlékonylemez stb. Az egyszerűsége miatt, a rendszer a fájlok számának növekedésével egyre kevésbé lesz hatékony, a felhasználó(k) számára egyre nehezebb lesz az adatcsoportok kezelése.
Mint a legtöbb régebbi kis rendszer, az eredeti Apple Macintosh egy egyszerű, Macintosh File System nevű fájlkezelőt használt. A Mac OS már nem ezt használta, hanem egy olyan rendszert, ami egy nem teljesen hierarchikus fájlkezelő illúzióját nyújtotta (Macintosh Finder). A Macintosh Finder-t gyorsan helyettesítették a Hierarchical File System-mel, amely már valóban támogatta a katalógusokat.
Unix és Unix-szerű rendszerek fájlrendszerei
A Unix és az Unix-szerű operációs rendszerek minden eszközhöz egy eszköznevet rendelnek, de ennek nincsen köze ahhoz, miképp is érhetők el az eszközön lévő fájlok. Valójában a Unix létrehoz egy virtuális fájlrendszert, amelyben minden eszközön lévő minden fájl egy hierarchiába rendeződik. Ez azt jelenti, hogy a Unix-ban van egy gyökérkönyvtár, és minden létező fájl valahol ebben a gyökértől induló struktúrában helyezkedik el. Sőt, ennek a gyökérnek nem is kell tényleges fizikai hely. Nem kell az első merevlemezen lennie, még csak a gépben sem kell lennie, a Unix képes egy megosztott hálózati erőforrást gyökérkönyvtárként kezelni.
Valamilyen eszközön lévő fájl eléréséhez először meg kell mondani az operációs rendszernek, hol van az a könyvtárfa, ahol a fájl található. Ez a művelet a csatlakozás egy fájlrendszerhez. Például, egy CD-ROM-on lévő fájl eléréséhez meg kell mondani az operációs rendszernek, hogy „keress egy fájlrendszert ezen a CD-ROM-on, ami az ilyen-és-ilyen katalógusban található”. Az adott katalógust az operációs rendszer csatlakozási pontnak tekinti – legyen ez mondjuk /mnt. Az /mnt katalógus több Unix-szerű rendszerben létezik (ahogyan azt a fájlrendszer hierarchia szabvány meghatározza) és az a célja, hogy kapcsolódási pontot biztosítson az ideiglenes/cserélhető hordozók számára, mint a flopi lemezek vagy CD-k. Lehet üres is, vagy tartalmazhat alkönyvtárakat más, különálló egységek csatlakoztatásához. Általában csak a adminisztrátor (un. root user) rendelkezik olyan jogokkal, hogy csatlakoztathat fájlrendszereket.
A Unix-szerű operációs rendszereknek gyakran része program vagy eszköz, ami támogatja a csatlakoztatási eljárást, és új lehetőségeket is biztosít. Ezek közül a stratégiák közül a legtöbb az úgynevezett „auto-mounting” – automatikus csatlakoztatás, aminek az elnevezése már utal is a használatára.