Tiedostojärjestelmä

Tiedostojärjestelmä on käyttöjärjestelmän tarjoama palvelu, jonka avulla muut ohjelmistot voivat varastoida dataa tietokoneen massamuistiin. Tiedostojärjestelmän tärkein tehtävä on peittää massamuistilaitteen tekninen rakenne ja saada sen sisältö näkymään helpommin käsiteltävinä tiedostoina ja hakemistoina.

Fyysisellä massamuistilaitteella tiedostot ja hakemistot voivat olla tallennettuna pieninä paloina eikä jatkuvina kokonaisuuksina. Tiedostojärjestelmä pitää huolen palojen sijainnista, jotta tiedosto näkyy yhtenä jatkuvana kokonaisuutena sitä käsittelevälle ohjelmalle. Tiedostot järjestetään loogiseen hakemistohierarkiaan (hakemistopuu), joka säilötään erikseen tiedostojärjestelmässä.

Tiedostojärjestelmä luodaan tyypillisesti massamuistille tai kiintolevyn osiolle. Windows-käyttöjärjestelmässä osiot näkyvät eri levyasemakirjaimina. Unix-tyyppisissä käyttöjärjestelmissä eri tiedostojärjestelmiä ei oteta automaattisesti käyttöön kuin järjestelmän käynnistyksen vaatimat. Loput tiedostojärjestelmät liitetään () hakemistopuuhun hakemistojen alle. Esimerkiksi hakemisto /home voi olla liitoskohta (mount point) tiedostojärjestelmälle joka sisältää käyttäjien omat tiedot. Myös uudemmat Windows-käyttöjärjestelmät osaavat liittää tiedostojärjestelmiä hakemistopuuhun.

Historia 
Tiedostojärjestelmät voidaan jakaa sukupolviin seuraavasti:
 sukupolvi 0: ei järjestelmää, vain tietovirta. Esimerkiksi reikäkortti tai C-kasetti.
 sukupolvi 1: varhainen hajasaanti. Useampia nimettyjä tiedostoja ilman hakemistoja tai metatietoa.
 sukupolvi 2: varhainen järjestäminen (hakemistot, kansiot). Paljon tiedostoja.
 sukupolvi 3: metatiedot kuten käyttäjäoikeudet ja omistajuus. Useiden käyttäjien tuki.
 sukupolvi 4: journalointi, joka parantaa vikasietoisuutta ongelmatilanteissa ja tekee epätodennäköisemmäksi tietojen menettämisen.

Viidennen sukupolven määrittää sisäänrakennettu taltionhallinta, lohkokohtainen tarkistussumma, itsekorjaava RAID, copy-on-write tilannekuvat, asynkroninen replikointi ja tulevaisuuteen skaalautuvuus.

Tiedostojärjestelmän ikä ei vastaa sen sukupolvea: uudet sulautettuihin järjestelmiin suunnatut tai muut erikoistuneet tiedostojärjestelmät eivät sisällä uudemman sukupolven ominaisuuksia kuten zonefs:ssä.

Ensimmäinen käyttöjärjestelmä, jossa oli hierarkkinen tiedostojärjestelmä, oli mahdollisesti Multics. Multicsin tiedostojärjestelmästä kerrottiin vuonna 1965, jossa mainittiin että tiedosto oli vain lineaarinen taulukko dataa, johon voidaan viitata symbolisellä nimellä. Unixissa oli hierarkkinen tiedostojärjestelmä, joka salli minkä tahansa syvyyden hakemistopuulle.

Hakemistot ja tiedostot

Nykyiset tiedostojärjestelmät sisältävät käyttäjälle näkyviä tiedostoja, jotka organisoituvat hierarkkiseksi (tai joskus jopa verkkomaiseksi) järjestelmäksi hakemistojen () avulla. Teknisestä näkökulmasta hakemistot ovat tiedostoja, joissa on luettelo tiedostoista. Tyypillisesti tiedostot ovat tiedostojärjestelmän kannalta vain yksiulotteinen joukko tavuja ilman tiettyä rakennetta.

Graafisissa käyttöliittymissä hakemistot esitetään usein kansioina () tai laatikostoina ().

Tiedostojärjestelmän perustaso on niin sanottu juurihakemisto (), joka sisältää kaikki tiedostot ja hakemistot. Sisäkkäisistä hakemistoista muodostuu haarautuva, puumainen kokonaisuus, joka usein esitetään ylösalaisin, niin että juurihakemisto on ylhäällä ja hakemistopuu haarautuu alaspäin. Vaihtoehtoisesti juurihakemisto voi olla vasemmalla, jolloin hakemistopuu haarautuu ensisijaisesti oikealle. Tiedostoihin ja hakemistoihin viitataan hakemistopolun avulla eli luettelemalla sisäkkäiset hakemistot tiedostojärjestelmän juuresta lähtien. Tällöin hakemistot tyypillisesti erotetaan toisistaan ja tiedostosta vinoviivalla (/) tai kenoviivalla (\) joskin muitakin tapoja on käytetty:
/etc/apt/sources.list
A:\ATK\OMAT\Sol.exe
x.Y (OpenVMS)
Hard Drive:My Folder:My Document ("Classic" Mac OS)

Tiedostojärjestelmä voi sisältää symbolisia tai kovia linkkiä tiedostoihin: tiedostolla voi olla useampia nimiä ja samaan tiedostoon voidaan viitata myös eri hakemistosta. Kovalinkityllä tiedostolla on sama inode riippumatta nimestä ja sitä ei voida tehdä hakemistolle. Symbolinen linkki (myös pehmeä linkki) ei sisällä kohteen tietoja ja kohde voi sijaita myös esimerkiksi verkkolevyllä.

Tilanvaraus

Tiedostojärjestelmän tärkeä ominaisuus on hallita massamuistin vapaata ja varattua tilaa. Tämä koskee tietokoneeseen liitettyä fyysisista mediaa, ei niinkään verkkotiedostojärjestelmiä (niiden tilanvaraus tapahtuu palvelinkoneen massamuistilla).

Tyypillisesti massamuisti jaetaan määräkokoisiin lohkoihin, varausyksiköiksi (). Varausyksiköt ovat tyypillisesti 512 tavun kerrannaisyksikköjä (2x, 4x, 8x, 16x, jne.), mutta niiden tarkka koko riippuu tiedostojärjestelmästä ja sen parametreista. Pieni varausyksikkö lisää levyn kirjanpitoon kuluvaa tilaa ja saattaa hidastaa toimintaa. Suuri varausyksikkö taas tuhlaa tilaa pieniä tiedostoja tallennettaessa. Joissain tiedostojärjestelmissä kierretään ongelma tallentamalla useita pieniä tiedostoja yhteen varausyksikköön tai varatun tilan koko voi vaihdella tarvittaessa, esimerkiksi Btrfs ().

Yksittäisten lohkojen sijaan voidaan käyttää extent -lohkoja suurien jatkuvien osien varaamiseen suurille tiedostoille, jolloin vältetään yksittäisten lohkojen varaamiset: esimerkiksi JFS ja Ext4 tukevat tätä ominaisuutta.

Tiedostot pyritään tallentamaan siten että niille varattu tila on yhtenäinen. Jos näin ei voida tehdä, sanotaan että tiedosto fragmentoituu eli pirstoutuu. Tämä on haitallista etenkin levymuisteilla, koska tiedostoa luettaessa joudutaan lukupäätä siirtämään, mikä vie aikaa ja hidastaa toimintoa. Tilanvaraus on vaikeaa, koska käyttöjärjestelmä ei yleensä tiedä tiedoston kokoa kun sitä aletaan kirjoittaa. Lisäksi vanhoja tiedostoja poistettaessa myös tiedostojärjestelmän tyhjä tila fragmentoituu. Tämä vuoksi joissain käyttöjärjestelmissä on mukana erityinen ohjelma tiedostojärjestelmän tiedostojen tai/ja tyhjän tilan eheyttämiseksi eli defragmentoimiseksi.

Yksi tilanvaraukseen liittyvä erikoiskysymys on vapaan tilan hallinta. Vapaa tila voidaan käsittää tilaksi, joka ei ole minkään tiedoston käytössä (esim. MS-DOSin FAT). Vapaa tila voi myös olla erikoinen tiedosto tai tiedostoja, joista siirretään tilaa muille tiedostoille tarvittaessa. Eräissä käyttöjärjestelmissä voidaan myös rajoittaa osa tilasta vain ylikäyttäjän käyttöön siten että tavallinen käyttäjä ei voi täyttää levyä ja kaataa tärkeitä palvelinohjelmistoja.

Tiedostojärjestelmän tallentamat tiedot

Tiedostojärjestelmä tallentaa tiedostojen data lisäksi myös muita tietoja. Tiedoston nimi on tyypillisin. Lisäksi tiedostojärjestelmä pitää kirjaa tiedostoihin liittyvistä aikaleimoista kuten luontipäivä, muutospäivä tai viimeisin lukupäivä (tiedoston avaus) tai sen tilan muutos. Muita tiedostoihin liittyviä tietoja ovat niiden tyypit ja tietoturvaan liittyvät tiedot, kuten tiedoston omistaja/luoja ja pääsylistat. Tilanvaraukseen liittyviä tietoja ovat tiedoston koko ja sille varatut varausyksiköt.

Käsitteitä
Journalointi eli lokinpito tarkoittaa tiedostojärjestelmän kykyä säilyttää tiedon johdonmukaisuus vaikka tietokoneen toiminta katkeaisikin virtakatkokseen tai ohjelmistovirheeseen. Tämä saavutetaan pitämällä kirjaa tehdyistä muutoksista erityisellä tiedostojärjestelmän osalla (loki, engl. journal), josta tiedot päivitetään transaktion päättymisen jälkeen varsinaiseen tiedostojärjestelmään. Ilman journalointia tiedostojärjestelmän eheyttäminen erilaisilla työkaluilla, kuten fsck Unixin kaltaisissa järjestelmissä, on hitaampaa eikä välttämättä yhtä tuloksellista.
Osio () on yhdelle massamuistille luotu alue, jolle luodaan erillinen tiedostojärjestelmä kapasiteetin jakamiseksi
Tilannekuva () tarkoittaa hetkellisen tilanteen jäädyttämistä, jotta tilanteeseen voidaan palata myöhemmin. Tämä voi myös helpottaa varmennuksien tekemistä.
Taltio () viittaa useiden levyjen kapasiteetin yhdistämiseen virtuaaliseksi levyksi, vähintään yhden osion kapasiteetti.
 Klusteroitu tiedostojärjestelmä tarkoittaa levyjärjestelmää, joka kattaa useiden tietokoneiden levykapasiteetin. Klusteroituja tiedostojärjestelmiä on pääasiassa kahta tyyppiä: hajautettu levyjärjestelmä sekä jaettu levyjärjestelmä. Tiedostojärjestelmä voi rakentua esimerkiksi TCP/IP protokollan päälle tai muiden kuten Fibre Channel, iSCSI, InfiniBand. Klusteroitua tiedostojärjestelmää kutsutaan toisinaan myös verkkotiedostojärjestelmäksi.
 Verkkotiedostojärjestelmä: katso Klusteroitu tiedostojärjestelmä
 inode on Unix- ja Unixin kaltaisissa käyttöjärjestelmissä käytetty tietorakenne, joka sisältää tiedostosta kaiken muun tiedon paitsi sen nimen ja varsinaisen sisällön (datan)

Unix-tyyppisten käyttöjärjestelmien tiedostojärjestelmiä 
Kategoriaan kuuluvat nimenomaan Unix-tyyppisille käyttöjärjestelmille kehitettyjä tiedostojärjestelmiä, joita voidaan tukea myös muunkaltaisilla alustoilla.

Unix Filesystem (UFS) 

 UFS on Unixin alkuaikojen tiedostojärjestelmä, joka vakiinnutti nykyisen käytännön joka sallii tiedoston käyttää minkä vain määrän tavuja (ei sidottu ”tietueen” kokoon).
 UFS on levinnyt laajasti eri käyttöjärjestelmiin (BSD, Nextstep, Mac OS X ja Solaris).
 Alkuaikojen tiedostojärjestelmä oli hyvin yksinkertainen toteuteukselta ja myös hyvin hidas.
 Siihen on tarpeen vaatiessa kehitetty lisäominaisuuksia kuten journalointi ja soft-updates.
 Ei yhtä standardia toteutusta: paljon eri variaatioita.

Fast File System (FFS) 
 Uudelleen toteutettu UFS nimellä ”Fast File System for UNIX” BSD 4.2:ssa.

UFS2 

 FreeBSD:n tiedostojärjestelmä UFS2

AdvFS 
 Digital Equipment Corporationin AdvFS-tiedostojärjestelmä Digital Unixissa (myöhemmin Tru64 UNIX)

BFS 
 UnixWaren Boot File System

EFS 
 SGIn IRIX käyttöjärjestelmässä, korvasi aiemman tiedostojärjestelmän (System V -tyyppisen)
 myöhemmin korvattu XFS tiedostojärjestelmällä

Hi Performance FileSystem (HFS) 
 HP-UX käytössä ollut tiedostojärjestelmä (eri kuin Mac OS:n Hierarchical File System)
 Variaatio alkuperäisestä Unix UFS-tiedostojärjestelmästä

LFS 
 Log-structured File System on Berkeleyssä kehitetty lokirakenteinen tiedostojärjestelmä

QNX4FS, QNX6FS 

 QNX käyttöjärjestelmän tiedostojärjestelmä

Veritas File System (VxFS) 
 1988 lähtien
 perustunut UFS:ään alkuaikoina, myöhemmin BSD FFS
 useille alustoille, mm. HP-UX

XFS 

 XFS on Silicon Graphicsin (SGI) kehittämä journaloiva tiedostojärjestelmä, joka on kehitetty SGI:n IRIX-käyttöjärjestelmälle.
 Täysin 64-bittinen journaloiva tiedostojärjestelmä.
 Otettiin mukaan viralliseen Linux-kerneliin kehitysversiossa 2.5.36, mutta oli saatavilla ja yleisesti käytössä jo 2.4-sarjan aikana kernelistä 2.4.23 lähtien.

ZFS 

 Sun Microsystemsin kehittämä alun perin Solaris-käyttöjärjestelmälle.
 lähdekoodit on julkaistu CDDL-lisenssillä OpenSolaris projektissa
 vuonna 2010 Oracle Corporation jatkoi kehitystä suljetussa haarassa, jolloin avoimen lähdekoodin versio jatkui OpenZFS projektina

Linuxin tiedostojärjestelmät 

Linux osaa käyttää kymmeniä eri tiedostojärjestelmiä VFS (Virtual File System) -abstraktiokerroksen ansiosta. Listassa (paitsi minix) nimenomaan Linuxille kehitettyjä tiedostojärjestelmiä.

Minix, xiafs 

Linuxin alkuperäinen tiedostojärjestelmä oli Minix-käyttöjärjestelmän tiedostojärjestelmä. Seuraavan sukupolven tiedostojärjestelmiä olivat muun muassa xiafs ja extfs, jotka ovat nykyään jääneet käytöstä.

ext2fs, ext3fs, ext4fs 

Versiot ovat yhteensopivia siltä osin kuin uusia ominaisuuksia ei käytetä, esimerkiksi voi ext3fs:n liittää ext2fs:nä, jolloin journali ei sillä kerralla ole käytössä.

Ext2
Ext2 korvasi aiemman Extfs:n vuonna 1993.

Ext2 on vielä suosittu esimerkiksi Flash- ja USB-muisteilla.

Ext3
Ext3 kehittyi laajennuksena aiemmalle Ext2:lle vuonna 1998.

Ext3 tukee journalointia.

Ext4
Ext4 kehittyi edelleen Ext3:sta ja julkaistiin Linux versiossa 2.6.28 vuonna 2008.

Ext4 tukee journalointia.

F2FS 
Samsungin kehittämä tiedostojärjestelmä Linuxille, joka on suunniteltu käyttöön Flash-muistia käyttävillä massamuisteilla kuten SSD-levyt, eMMC ja SD-kortit.

ReiserFS ja Reiser4

ReiserFS oli ensimmäinen journaloiva tiedostojärjestelmä, joka otettiin mukaan Linuxiin (versiossa 2.4.1-pre4). Sen alkuperäinen nimi oli TreeFS, mutta erinäisten syiden vuoksi se nimettiin lopulta suunnittelijansa Hans Reiserin mukaan. ReiserFS:n erityispiirteitä ovat muun muassa mahdollisuus pakata useita pieniä tiedostoja samalle varausyksikölle, puurakenteesta johtuva hyvä suorituskyky käytettäessä paljon pieniä tiedostoja sisältäviä hakemistoja sekä dynaamisten varausyksiköiden käyttö. Näiden piirteiden vuoksi sitä käytetään usein uutisryhmäpalvelimissa ja muissa vastaavissa kohteissa.

Hans Reiserin pidätyksen ja murhatuomion jälkeen ja hänen yrityksensä ajauduttua konkurssiin tiedostojärjelmän kehitys ja käyttö on lakannut. Alkuvuodesta 2023 Linux-kehittäjät päättivät poistaa tiedostojärjestelmän Linuxista ja sen käyttö antaa varoituksen, jonka mukaan tiedostojärjestelmä poistuu vuoden 2025 aikana.

Reiser4 on pääosin saman kehittäjäryhmän toteuttama kokonaan uusi tiedostojärjestelmä, jota ei ikinä otettu mukaan Linux-ytimeen.

Tiedostojärjestelmää kehittää edelleen entinen Namesysin työntekijä Edward Shishkin, joka julkaisi 2019 uuden Reiser5:n.

Btrfs 

Btrfs on uutta kehitystä edustava tiedostojärjestelmä suunniteltu tukemaan copy-on-write mekanismia.

Tiedostojärjestelmän kehityksen aloitti Oracle Corporation Linuxia varten vuonna 2007.

Btrfs tukee levyjärjestelmiä 16 eksatavuun saakka, joko suurina levyinä tai levyryhminä.

Tiedostojärjestelmän käyttäjiä ovat mm. Facebook.

Myös Jolla Oy:n Sailfish OS käyttää tiedostojärjestelmää.

NILFS 
NILFS () on lokirakenteinen tiedostojärjestelmä, joka on kehitetty Linuxille. Lokirakenteiset tiedostojärjestelmät kirjoittavat rengaspuskurin tapaan aina loppuun, joka on nopea kirjoittaa mutta hitaampaa lukea. Ominaisuuksiin kuuluu tilannekuvat.

FUSE 

Linuxin FUSE () mekanismin avulla tuetaan tiedostojärjestelmiä, joiden lähdekoodit eivät lisenssiltään yhteensopivia suoraan ytimeen liittämiseksi.
Ubuntu käyttää tätä NTFS tuen kanssa.

Microsoftin tiedostojärjestelmät

FAT (File Allocation Table) 

 Sijainti osion nollauralla
 Pitää kirjaa muun muassa tiedoston nimestä, koosta, tiedostoattribuuteista ja varausyksiköistä, jotka sisältävät itse tiedoston tiedot.
 Kiintolevyn (tai paremminkin sen osion) koko vaikuttaa varausyksikön kokoon.
 Tiedostojärjestelmään on myöhemmin lisätty ominaisuuksia jotka mahdollistavat yli 8+3 merkin tiedostonimet (ns. VFAT) ja yli 2 GB levyosiot (ns. FAT32).

NTFS (New Technology File System) 

 Kehitetty IBM:n kehittämän HPFS-tiedostojärjestelmän pohjalta
 Varausyksikön kokoon voi itse vaikuttaa riippumatta levyosion koosta
 Tilanvaraustaulu toteutettu binääripuuna → Haku nopeutuu.

Applen tiedostojärjestelmät

Macintosh File System (MFS) 
 Alkuperäisen Mac OS:n Macintosh File System

Hierarchical File System (HFS/HFS+) 
 Alkuperäisen Mac OS:n Hierarchical File System
 HFS Plus (HFS+) lisäsi tuen journaloinnille
 OS X käyttöjärjestelmässä myös nimellä Mac OS Extended

Apple File System (APFS) 
 Mac OS X:ssä esitelty Apple File System korvasi edeltävän HFS/HFS Plus tiedostojärjestelmän vuonna 2017

IBM:n tiedostojärjestelmät

Hierarchical File System (IBM MVS) 
 IBM z/OS käyttämä tiedostojärjestelmä
 eri kuin HP-UX tai Mac OS tiedostojärjestelmät (jotka myös lyhennetään HFS)

HPFS 
 OS/2:n käyttämä HPFS

JFS 

 IBM:n kehittämä journaloiva tiedostojärjestelmä, julkaistu AIX-käyttöjärjestelmän versiossa 3.1.
 Kaksi merkittävää versiota: 32-bittinen JFS (JFS1) ja 64-bittinen Enhanced JFS (JFS2)
 Julkaistu myös OS/2:lle
 Linuxille julkaistu täysin 64-bittinen GPL-lisenssillä
 Otettiin mukaan viralliseen Linuxin epävakaassa kehitysversiossa 2.5.6-pre2 julkaisuun ja 2.4-sarjassa 2.4.20-pre4 julkaisuun.

zFS (IBM) 
 IBM:n z/OS järjestelmässä käytetty (eri kuin Sun/Oracle ZFS)

Muiden alustojen tiedostojärjestelmät

BeFS 

 BeOS:n tiedostojärjestelmä

Files-11 

 OpenVMS:n tiedostojärjestelmät
 Perinteinen ODS-2 ja uudempi ODS-5

OFS/FFS 
 Amigan AmigaOS:n tiedostojärjestelmät
 nimet Old File System ja Fast File System

Hajautetut levyjärjestelmät

AFS (Andrew Filesystem)

NFS (Network Filesystem) 

 Sun Microsystemsin kehittämä, avoin IETF standardi (RFC)

SMB (Server Message Block) 

 IBM:n ja Microsoftin kehittämä

9P 

 Plan 9 käyttöjärjestelmään kehitetty protokolla

xFS 
 Berkeleyn yliopiston hajautettu tiedostojärjestelmä

Jaetut levyjärjestelmät

GFS/GFS2 
 Global File System on kehitetty aluksi IRIX:lle, sitten siirretty Linuxille 
 GFS2 on myöhemmin uudestaan kirjoitettu versio (Red Hat)

GPFS 
 IBM:n kehittämä jaettu levyjärjestelmä suurtietokonekäyttöön
 julkaistu alun perin IBM:n AIX -käyttöjärjestelmälle 1998, Linuxeille 2001 ja Microsoft Windows Server 2003 R2 (64-bit) vuonna 2008

OCFS/OCFS2 
 Oracle Corporation kehittämä jaettu levyjärjestelmä
 nimi Oracle Cluster File System
 julkaistu Linuxille

Muut tiedostojärjestelmät

ISO 9660 
 CD-ROM standardi tiedostojärjestelmä
 myös laajennuksia kuten Rock Ridge, Joliet

UDF 
 Universal Disk Format, ISO/IEC 13346
 pakettipohjainen DVD-ROM tiedostojärjestelmä

Universal Flash Storage (UFS) 
 JEDECin määrittelemä tiedostojärjestelmä flash-muistin kanssa käyttöön

Katso myös 

 Filesystem Hierarchy Standard
 Tiedostopääte

Lähteet 

Seulonnan keskeiset artikkelit