الوحدة 12: إدارة الملفات

1️⃣ نظرة عامة على نظام إدارة الملفات (File Management System)

يُعد نظام إدارة الملفات (File Management System) جزءًا حيويًا من نظام التشغيل، فهو المسؤول عن تنظيم، تخزين، استرجاع، وحماية البيانات على وسائط التخزين الثانوية (مثل الأقراص الصلبة، أقراص SSD، USB Drives). يُنظر إلى الملفات ككيانات منطقية من قبل المستخدمين والتطبيقات، بينما يتولى نظام التشغيل مهمة ترجمة هذه الكيانات إلى مواقع فيزيائية على الجهاز التخزيني.

تعريف الملف:

في سياق أنظمة التشغيل، الملف هو مجموعة مسماة من البيانات ذات الصلة، تُخزن كوحدة واحدة على وسائط التخزين الثانوية. يمكن أن يمثل الملف:

• البرامج (Programs): مثل الملفات التنفيذية (executables) أو الشيفرة المصدرية (source code).
• الوثائق (Documents): مثل ملفات النصوص، جداول البيانات، أو العروض التقديمية.
• البيانات (Data): مثل الصور، مقاطع الفيديو، الملفات الصوتية، أو قواعد البيانات.
• ملفات النظام (System Files): التي تُستخدم بواسطة نظام التشغيل نفسه.

💡 ملاحظة: الملف هو تجريد (Abstraction) يُقدمه نظام التشغيل للمستخدم. فبدلاً من التعامل مع الأقراص ككتل من البايتات، يتعامل المستخدمون مع أسماء ملفات ومجلدات مألوفة.

🔸 مسؤوليات نظام إدارة الملفات الرئيسية:

• إنشاء وحذف الملفات (File Creation and Deletion): توفير واجهات برمجية (APIs) للمستخدمين والتطبيقات لإنشاء ملفات جديدة وتحديد خصائصها، وكذلك حذف الملفات عند عدم الحاجة إليها.
• القراءة والكتابة إلى الملفات (Reading and Writing Files): إدارة عمليات نقل البيانات بين الذاكرة الرئيسية والملفات المخزنة على القرص.
• تنظيم وتحديد الوصول (Organization and Access Control): تنظيم الملفات في هياكل منطقية (مثل الأدلة/المجلدات) وتطبيق آليات التحكم في الوصول (Access Control) لضمان أن المستخدمين المصرح لهم فقط يمكنهم الوصول إلى الملفات بطرق محددة (قراءة، كتابة، تنفيذ).
• حفظ البيانات واستعادتها (Data Preservation and Recovery): ضمان سلامة البيانات المخزنة على المدى الطويل، وتوفير آليات للاستعادة في حالة فشل النظام أو الأجهزة.
• إدارة المساحة الحرة (Free Space Management): تتبع المساحات الفارغة على القرص وتخصيصها للملفات الجديدة، وتحريرها عند حذف الملفات.
• توفير واجهة للمستخدم (User Interface): تقديم واجهة سهلة الاستخدام للمستخدمين للتفاعل مع الملفات (مثل File Explorer في Windows أو أوامر shell في Linux).

2️⃣ تنظيم الملفات وطرق الوصول (File Organization and Access Methods)

لتحقيق الكفاءة في تخزين واسترجاع البيانات، يجب على نظام التشغيل تنظيم الملفات داخليًا بطرق معينة، وتوفير آليات للمستخدمين والتطبيقات للوصول إلى البيانات داخل هذه الملفات.

📍 أ. تنظيم الملفات (File Organization)

يشير تنظيم الملفات إلى كيفية ترتيب البيانات المنطقية داخل الملف على وسائط التخزين. هذا الترتيب يؤثر بشكل مباشر على السرعة التي يمكن بها قراءة وكتابة البيانات، ويجب أن يتناسب مع أنماط الاستخدام المتوقعة للملف.

• متتالية (Sequential File Organization):
  • الوصف: تُخزن البيانات في الملف بشكل متسلسل، سجل بعد سجل. للوصول إلى سجل معين، يجب قراءة جميع السجلات التي تسبقه.
  • المزايا: بسيطة في التنفيذ، فعالة للقراءة المتسلسلة (مثل ملفات السجلات أو ملفات الفيديو).
  • العيوب: بطيئة جدًا للوصول العشوائي إلى سجلات محددة.
  • مثال: ملف نصي عادي، حيث تقرأ السطور بالترتيب.
• عشوائية (Direct / Random File Organization):
  • الوصف: تُخزن البيانات بطريقة تسمح بالوصول المباشر إلى أي سجل في الملف باستخدام عنوانه النسبي (Relative Address) أو رقم السجل. لا يتطلب قراءة السجلات السابقة.
  • المزايا: سريعة جدًا للوصول العشوائي.
  • العيوب: قد تُسبب هدرًا في المساحة إذا كانت السجلات ذات أحجام مختلفة أو غير مُستخدمة بالكامل.
  • مثال: قواعد البيانات حيث تحتاج إلى الوصول إلى سجلات محددة بسرعة.
• مؤشرية (Indexed File Organization):
  • الوصف: تُستخدم هذه الطريقة لدمج مزايا الوصول المتسلسل والعشوائي. يتم إنشاء جدول (فهرس) يحتوي على مؤشرات (Pointers) إلى مواقع السجلات الفعلية داخل الملف. للوصول إلى سجل، يتم البحث أولاً في الفهرس للعثور على موقعه، ثم يتم الوصول إليه مباشرة.
  • المزايا: توفر وصولاً عشوائيًا سريعًا، مع إمكانية الوصول المتسلسل.
  • العيوب: تتطلب مساحة إضافية لتخزين الفهرس، وقد تكون أكثر تعقيدًا في الإدارة.
  • مثال: أنظمة الملفات الحديثة (مثل NTFS و ext4) تستخدم هياكل فهرسة (مثل B-Trees) لتنظيم الملفات والمجلدات.

📍 ب. طرق الوصول (Access Methods)

تُشير طرق الوصول إلى الواجهة التي يوفرها نظام التشغيل للتطبيقات لقراءة وكتابة البيانات من الملفات.

3️⃣ شجرات B-Trees في إدارة الملفات

تُعد هياكل البيانات الفعالة ضرورية لإدارة كميات هائلة من الملفات والمجلدات بكفاءة على وسائط التخزين. تُستخدم شجرات B-Trees (أو B-plus Trees) على نطاق واسع في أنظمة الملفات وقواعد البيانات لتنظيم الفهارس وتسريع عمليات البحث والوصول إلى البيانات.

ما هي شجرة B-Tree؟

شجرة B-Tree هي نوع من هياكل بيانات الشجرة المتوازنة (Self-Balancing Tree) المصممة خصيصًا لتخزين البيانات على وسائط التخزين الثانوية (مثل الأقراص الصلبة) التي تتطلب عمليات قراءة/كتابة كتلية (Block-oriented I/O). تتميز B-Trees بأنها:

• متوازنة دائمًا: تضمن أن جميع الأوراق (Leaf Nodes) تكون على نفس العمق، مما يضمن أن وقت البحث عن أي عنصر يكون ثابتًا نسبيًا.
• تُقلل من عمليات I/O: كل عقدة في B-Tree مصممة لتناسب حجم كتلة القرص (Disk Block). هذا يعني أن قراءة عقدة واحدة من القرص تجلب كمية كبيرة من البيانات (مفاتيح ومؤشرات)، مما يقلل بشكل كبير من عدد عمليات I/O المطلوبة للبحث عن ملف أو الوصول إليه.
• تعددية الفروع (High Fan-Out): كل عقدة يمكن أن تحتوي على عدد كبير من المفاتيح والمؤشرات إلى العقد الفرعية، مما يجعل الشجرة "قصيرة" (قليلة العمق) حتى مع عدد هائل من العناصر.

تطبيق B-Trees في إدارة الملفات:

• فهرسة الأدلة (Directory Indexing): تُستخدم B-Trees لفهرسة أسماء الملفات والمجلدات داخل الأدلة. عندما تبحث عن ملف باسم معين في مجلد يحتوي على آلاف الملفات، فإن استخدام B-Tree يُسرّع عملية البحث بشكل كبير.
• تحديد موقع كتل الملفات (File Block Location): في بعض أنظمة الملفات، تُستخدم B-Trees لتتبع الكتل الفيزيائية التي تُشكل الملف على القرص.

🧪 مثال توضيحي:

لنفترض أن لديك قرصًا صلبًا يحتوي على مليون ملف. إذا كنت تستخدم بنية قائمة متسلسلة (Sequential List) للبحث عن ملف معين، فقد تحتاج إلى البحث في نصف مليون ملف في المتوسط. ولكن باستخدام شجرة B-Tree، حيث كل عقدة يمكن أن تحتوي على مئات المؤشرات، فإن الوصول إلى أي ملف في هذا المليون ملف قد يتطلب أقل من 10 عمليات قراءة من القرص (أي، زيارة 10 عقد كحد أقصى).

هذا التحسين الهائل في الأداء هو السبب الرئيسي وراء استخدام B-Trees في نظم الملفات الحديثة مثل NTFS (في Windows) و ext4 (في Linux).

4️⃣ أدلة الملفات (Directories)

تُعد أدلة الملفات (Directories)، والتي تُعرف عادةً باسم "المجلدات" (Folders)، هي البنية الأساسية التي يستخدمها نظام التشغيل لتنظيم الملفات على وسائط التخزين. بدون الأدلة، سيكون لدينا قائمة واحدة ضخمة من جميع الملفات، مما يجعل العثور على ملف معين أمرًا مستحيلاً.

📍 وظائف الدليل:

• تنظيم الملفات: تجميع الملفات ذات الصلة معًا في مجموعات منطقية.
• توفير نظام تسمية: السماح للمستخدمين بتسمية الملفات بأسماء يسهل تذكرها، بدلاً من العناوين الفيزيائية.
• توفير معلومات وصفية: تخزين معلومات مهمة حول كل ملف.

📍 هيكلية الأدلة (Directory Structures):

• أحادية المستوى (Single-Level Directory):
  • الوصف: أبسط هيكلية، حيث تُخزن جميع الملفات في دليل واحد مشترك لجميع المستخدمين.
  • المزايا: سهلة التنفيذ.
  • العيوب:
    • مشكلة التسمية: لا يمكن لملفين أن يحملا نفس الاسم.
    • صعوبة البحث: يصبح البحث عن ملف معين صعبًا جدًا مع تزايد عدد الملفات.
    • مشاكل الأمان: لا توجد حماية أو عزل بين ملفات المستخدمين.
• ثنائية المستوى (Two-Level Directory):
  • الوصف: يوجد دليل رئيسي (Master File Directory - MFD) واحد للنظام، وكل مستخدم لديه دليل فرعي خاص به (User File Directory - UFD). تُخزن ملفات كل مستخدم في دليله الخاص.
  • المزايا: حل مشكلة التسمية (يمكن لمستخدمين مختلفين أن يكون لديهما ملف بنفس الاسم)، يوفر بعض العزل بين المستخدمين.
  • العيوب: لا يزال لا يسمح بتنظيم الملفات داخل دليل المستخدم بشكل هرمي.
• هرمية (Tree-Structured Directory - بنية شجرية):
  • الوصف: هي الهيكلية الأكثر شيوعًا في أنظمة التشغيل الحديثة (مثل Windows وLinux). تبدأ بدليل جذر (Root Directory)، وتتفرع منه أدلة فرعية (Subdirectories) وملفات. يمكن أن تحتوي الأدلة الفرعية على أدلة وملفات أخرى، مما يُشكل بنية شجرية.
  • المزايا:
    • تنظيم منطقي: يُسهل تنظيم الملفات والمجلدات بشكل هرمي ومنطقي.
    • سهولة البحث: يمكن البحث عن الملفات باستخدام المسار (Path) الكامل.
    • مرونة في التسمية: يمكن أن يكون لملفين نفس الاسم إذا كانا في مسارات مختلفة.
  • العيوب: قد تكون عملية البحث أبطأ إذا كان المسار طويلًا جدًا.

📍 معلومات تُخزن في الدليل (Directory Entry):

لكل ملف أو مجلد في الدليل، يتم تخزين "إدخال دليل" (Directory Entry) يحتوي على معلومات وصفية مهمة حول هذا العنصر. تشمل هذه المعلومات عادةً:

• اسم الملف (File Name): الاسم الذي يراه المستخدم.
• معرّف الملف (File Identifier / Inode Number في Unix/Linux): مؤشر فريد يشير إلى البيانات الوصفية الفعلية للملف على القرص.
• موقعه على القرص (Location on Disk): مؤشرات إلى الكتل الفيزيائية التي تُشكل الملف على وسيط التخزين.
• حجم الملف (File Size): حجم الملف بالبايتات.
• صلاحيات الوصول (Access Permissions): من يُسمح له بالوصول إلى الملف وما هي أنواع الوصول (قراءة، كتابة، تنفيذ).
• التواريخ (Dates): تاريخ الإنشاء، تاريخ آخر تعديل، تاريخ آخر وصول.
• نوع الملف (File Type): يميز بين الملفات العادية، الأدلة، الأجهزة الطرفية، الروابط الرمزية، إلخ.

5️⃣ مشاركة الملفات (File Sharing)

في البيئات متعددة المستخدمين، تُعد مشاركة الملفات بين المستخدمين والتطبيقات ميزة أساسية لأنظمة التشغيل الحديثة. يتطلب ذلك آليات دقيقة للتحكم في الوصول مع الحفاظ على الأمان وسلامة البيانات.

أنواع مشاركة الملفات:

• مشاركة محلية (Local Sharing):
  • بين مستخدمين على نفس النظام
  • يتم التحكم فيها عبر صلاحيات نظام الملفات
• مشاركة شبكية (Network Sharing):
  • بين أنظمة عبر الشبكة (مثل NFS، SMB)
  • تتطلب آليات مصادقة إضافية

آليات التحكم في المشاركة:

6️⃣ حجب السجلات (Record Blocking)

عند تخزين البيانات على وسائط التخزين الثانوية، تظهر مشكلة عدم التطابق بين حجم السجل المنطقي (Record) وحجم الكتلة الفيزيائية (Block) على القرص. تقنية حجب السجلات تحل هذه المشكلة لتحسين كفاءة I/O.

أنواع حجب السجلات:

7️⃣ إدارة التخزين الثانوي

تقوم أنظمة التشغيل بإدارة وسائط التخزين الثانوية (الأقراص) عبر ثلاث عمليات رئيسية:

1. إدارة المساحة الحرة (Free Space Management)

• Bit Vector: خريطة بتات تمثل كل كتلة (0 = فارغة، 1 = مشغولة)
• Linked List: ربط الكتل الفارغة معاً عبر مؤشرات
• Grouping: تخزين عناوين الكتل الفارغة في كتل مخصصة

2. تخصيص الملفات (File Allocation Methods)

3. إدارة الأداء (Performance Optimization)

• التخزين المؤقت للقرص (Disk Caching): استخدام ذاكرة RAM لتخزين الكتل المستخدمة حديثاً
• التقسيم (Partitioning): تقسيم القرص إلى مناطق مستقلة
• التجزئة (Defragmentation): إعادة ترتيب الكتل لتحسين الأداء

8️⃣ إدارة الملفات في أنظمة التشغيل المختلفة

تختلف تطبيقات أنظمة الملفات بين أنظمة التشغيل الرئيسية، رغم اشتراكها في المبادئ الأساسية: