ファイルシステム

コンピュータのファイルシステム：データの整理と管理

コンピュータにおけるファイルシステムとは、オペレーティング[[システム]] (OS) が備える、補助[[記憶装置]]などのリソースを管理する重要な機能です。一般的には、ハードディスクドライブなどに保存されたデータ（ファイル）を整理し、アクセスするための仕組みとして理解されていますが、デバイスやプロセスに関する情報もファイルとして扱うファイルシステムも存在します。本記事では、ファイルシステムの基礎から、様々なOSにおける実装例、そして歴史的な背景までを解説します。

ファイルシステムの基礎

ファイルシステムは、ストレージ上のデータを階層的に整理し、効率的にアクセスするための抽象データ型です。ストレージ上のデータは、通常、固定サイズのブロック（セクタ）に分割され、ファイルシステムはこれらのブロックを管理することで、ファイルやディレクトリを構成します。ファイル名は、ファイル配置テーブル（例えば、FATやinode）のインデックスと対応付けられ、ディレクトリ構造は階層型（ツリー構造）やフラット型など、様々な形式が考えられます。ファイル名自体にも構造を持たせ、拡張子やバージョン番号を含めるファイルシステムも存在します。

ファイルシステムの初期の実装は、ファイルやディレクトリの作成、移動、削除といった基本的な機能のみを提供していました。しかし、UNIXなどの発展に伴い、ハードリンク、シンボリックリンク、ファイルの連結、部分的なデータの削除・挿入といった高度な機能も追加されてきました。現代のファイルシステムは、アクセス制御リスト（ACL）やケーパビリティを用いたセキュリティ機構も備えています。

ファイルシステムの種類

ファイルシステムは、その用途や対象によって様々な種類に分類できます。

ディスクファイルシステム

ハードディスクなどの補助[[記憶装置]]に直接ファイルを格納する最も一般的なタイプです。FAT、NTFS、ext4、HFS+など、多くの種類が存在し、それぞれ異なる機能や特性を持っています。ジャーナリング機能やバージョン管理機能を持つファイルシステムもあります。

データベースファイルシステム

データベース技術を用いてファイルを管理するファイルシステムです。ファイルのメタデータ（ファイルの種類、作成者など）をデータベースに格納し、データベース操作言語（SQLなど）を用いてファイルの操作を行います。従来のファイルシステムと比べて、柔軟性や効率性の向上などが期待できます。

トランザクションファイルシステム

ファイル操作をトランザクションとして扱い、操作の途中でエラーが発生した場合でもデータの整合性を保つための仕組みを持つファイルシステムです。銀行の送金処理など、データの信頼性が極めて重要なシステムに適しています。

ネットワークファイルシステム

ネットワーク上の複数のコンピュータでファイルを共有するためのファイルシステムです。SMB/CIFS、NFS、AFPなど、様々なプロトコルが存在します。これらのファイルシステムは、各OS固有のファイルシステムを抽象化し、異なるOS間でのファイル共有を容易にします。

特殊用途ファイルシステム

特定の用途のために設計されたファイルシステムです。例えば、UNIX系の`/proc`ファイルシステムは、プロセスに関する情報をファイルとして提供します。また、組み込みシステムや宇宙探査機など、特殊な環境で使用されるファイルシステムも存在します。

主要OSにおけるファイルシステム

UNIXとUnix系システム

UNIXとUnix系OS（Linux、macOSなど）は、仮想ファイルシステムを用いて、全てのデバイスを階層構造で表現します。ルートディレクトリを起点に、全てのファイルがツリー構造で配置されます。デバイスへのアクセスにはマウントという操作が必要で、システム管理者によってマウントポイントが設定されます。自動マウントやスーパーマウントといった高度な機能も提供されています。

macOS

macOSは、HFS+（HFSX）という独自のファイルシステムを使用しています。HFS+は豊富なメタデータと大文字小文字の区別、ジャーナリング機能などを備えています。POSIX準拠でありながら、独自の拡張機能も提供しています。

Windows

Windowsは、歴史的にFAT、HPFS、そしてNTFSというファイルシステムを使用してきました。NTFSは、ACLベースのアクセス制御、ハードリンク、ファイル圧縮などをサポートする強力なファイルシステムです。ドライブレターという概念を用いてディスクやパーティションを管理します。

Plan 9 from Bell Labs

Plan 9は、UNIXの概念を拡張したOSで、"全てがファイル"という哲学に基づいたファイルシステムを持っています。ネットワーク上のファイルとローカルのファイルを区別せず、様々なサービスをファイルインターフェースで提供しています。

まとめ

ファイルシステムは、コンピュータシステムにおいて、データの管理・アクセスの基盤となる重要な機能です。OSの種類や用途によって、様々なファイルシステムが存在し、それぞれ異なる特性を持っています。本記事では、ファイルシステムの全体像を理解するための基礎知識を提供することを目的としています。さらに深い理解のためには、各ファイルシステムの詳細な仕様や実装に関する資料を参照する必要があるでしょう。

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