2.5. Файлы и диски: как данные живут после выключения

Опубликовано: 11.04.2026

Файлы и диски: как данные живут после выключения

Файловые системы NTFS, ext4, APFS. Фрагментация. Как SSD и HDD хранят данные по-разному. И почему удалённый файл — это не всегда то же самое, что уничтоженный.

Вы создали документ, сохранили и выключили компьютер. Через неделю включили - файл на месте. Это кажется само собой разумеющимся, но за этим стоит целая инфраструктура: правила хранения, адресации, записи и поиска данных. Эти правила называются файловой системой, и у каждой операционной системы она своя. Разберёмся, что происходит с файлом с момента нажатия «Сохранить» - и почему кнопка «Удалить» работает не так, как кажется.

📦 Что такое файл на уровне битов

Любой файл — это просто последовательность байт. Документ, фотография, музыкальная композиция - с точки зрения диска это одно и то же: набор нулей и единиц, записанных в определённом порядке. Разница - только в том, как эти байты интерпретируются.

Текстовый файл хранит байты, каждый из которых обозначает символ. Например, в кодировке UTF-8 буква «А» занимает один байт со значением 65, а большинство кириллических букв - по два байта. Поэтому текстовый файл на русском языке при прочих равных занимает примерно вдвое больше места, чем такой же по длине английский текст.

Фотография в формате JPEG хранит не только пиксели, но и сжатую математическую модель изображения - поэтому файл значительно меньше, чем если бы каждый пиксель хранился напрямую. Видеофайл MP4 содержит сразу несколько потоков: видео, звук, субтитры - каждый со своим кодеком. Файловая система ничего из этого не знает и не понимает. Её задача - просто хранить байты и отдавать их по запросу в нужном порядке.

🗂️ Оглавление диска: как компьютер находит файл

Представьте библиотеку без каталога. Книги есть, но найти нужную - только обходя все полки подряд. Именно так выглядел бы диск без файловой системы: гигабайты данных без какого-либо указателя на то, где что лежит.

Файловая система — это как раз такой каталог. Она хранит метаданные: имена файлов, их размеры, даты создания и изменения, права доступа и - главное - где именно на диске записаны данные. Когда вы открываете файл, операционная система сначала заглядывает в этот каталог, находит координаты данных, а потом уже читает сами данные.

Физически диск делится на секторы — минимальные единицы хранения на уровне железа (традиционно 512 байт, современные диски - 4 КБ). Файловая система работает не с секторами напрямую, а объединяет их в кластеры — логические блоки, обычно от 4 до 64 килобайт. Кластер — это программная абстракция: именно ею оперирует файловая система, а не физическими секторами. Даже если файл занимает всего 1 байт, он всё равно займёт целый кластер на диске. Это небольшая трата пространства, зато операции с данными становятся проще и быстрее.

🏙️ Три главные файловые системы

Разные операционные системы придумали разные способы организовывать данные на диске. Три наиболее распространённых - NTFS, ext4 и APFS.

NTFS: рабочая лошадка Windows

NTFS (New Technology File System) появилась в 1993 году вместе с Windows NT - корпоративной линейкой Microsoft. По тем временам это была революция: предыдущая FAT не умела ни разграничивать права доступа, ни восстанавливаться после сбоев.

Главная идея NTFS - журнал транзакций. Прежде чем что-то записать на диск, система фиксирует намерение в специальном журнале. Если в середине операции выключить питание, после перезагрузки NTFS посмотрит в журнал и либо завершит операцию, либо откатит её целиком. Файлы не «зависают» в полузаписанном состоянии.

В основе NTFS лежит структура, которая называется MFT — Master File Table. Это большая таблица, где каждому файлу и папке соответствует запись с именем, атрибутами и адресами кластеров, где хранятся данные. MFT - сердце файловой системы. Если она повреждена, Windows не сможет найти ни один файл, хотя сами данные останутся нетронутыми.

ext4: надёжная основа Linux

ext4 (fourth extended filesystem) - это результат десятилетий эволюции файловой системы Linux. Ext2, ext3, ext4 - каждая версия добавляла что-то важное. Ext4 получила экстенты вместо списков кластеров: вместо того чтобы хранить координату каждого кластера большого файла по отдельности, система хранит просто начало и длину непрерывного участка диска. Для больших файлов это радикально уменьшает размер метаданных.

Ещё одна особенность ext4 - отложенное выделение: система не сразу резервирует место на диске при записи, а ждёт, пока данные осядут в памяти, и потом записывает их целиком, в одном месте. Это снижает фрагментацию и ускоряет работу.

Copy-on-Write и снапшоты

Современные файловые системы - и APFS (macOS), и Btrfs, и ZFS (Linux/серверы) - используют принцип Copy-on-Write и снапшоты. Снапшот - моментальный «слепок» состояния всего диска: если после снапшота вы удалили важный файл, можно вернуться назад без всякого восстановления. Copy-on-Write означает, что при изменении файла система не перезаписывает старые данные, а записывает новую версию в другое место и обновляет указатель. При сбое питания старая версия файла всегда остаётся целой.

🧩 Фрагментация: когда файл разбросан по диску

Файловая система старается записывать файл в одном непрерывном участке диска. Но в реальной жизни это не всегда получается. Представьте: диск наполовину заполнен, вы удаляете несколько старых файлов и на их месте появляются «дырки» разного размера. Теперь вы создаёте новый большой файл. Он не влезает ни в одну «дырку» целиком - и система вынуждена разрезать его на куски и разложить по разным свободным участкам. Это и есть фрагментация.

Чем больше фрагментов, тем медленнее работает диск. Чтение фрагментированного файла означает, что диску нужно найти все кусочки, собрать их в правильном порядке и передать данные. На HDD это физически медленно: магнитная головка буквально перепрыгивает по разным участкам пластины. Именно поэтому старые диски периодически «дефрагментировали» - специальная программа переупаковывала данные, собирая каждый файл в непрерывный блок.

С SSD история другая. Флеш-памяти всё равно, в каком порядке читать блоки - нет ни головки, ни вращающейся пластины, любой адрес доступен за одинаковое время. Поэтому фрагментация на SSD не влияет на скорость чтения. Более того, дефрагментация SSD вредна: лишние циклы записи изнашивают ячейки памяти. Современные версии Windows это знают и автоматически отключают дефрагментацию для твердотельных накопителей.

💽 HDD против SSD: разная физика хранения

Жёсткий диск (HDD) и твердотельный накопитель (SSD) хранят данные принципиально разными способами. Это влияет не только на скорость, но и на поведение при записи, удалении и износе.

Как хранит HDD

Внутри HDD - стеклянные или алюминиевые пластины, покрытые магнитным слоем. Данные записываются как крошечные намагниченные участки: один полюс - это «1», другой - «0». Над пластинами парит на воздушной подушке магнитная головка - она же читает, она же пишет.

Запись и чтение требуют, чтобы головка физически переместилась к нужному месту на пластине. Именно поэтому HDD так чувствителен к фрагментации и так не любит случайный доступ. Последовательное чтение большого файла - пластина крутится, головка стоит почти на месте, всё летит. Случайное чтение тысячи мелких файлов - головка постоянно прыгает, скорость падает в разы.

Как хранит SSD

В SSD нет ничего движущегося. Данные хранятся в ячейках NAND-флеш-памяти: в каждую ячейку «закачивают» электрический заряд, и его уровень кодирует биты. Ячейка с зарядом - «1», без заряда - «0» (грубо упрощая).

Ячейки объединяются в страницы (обычно 4–16 КБ), страницы - в блоки (обычно 256–512 страниц). И вот здесь скрывается важнейшее ограничение: записать данные можно в страницу, но стереть - только целым блоком. Перезаписать отдельную страницу напрямую нельзя - нужно сначала прочитать весь блок, стереть его целиком и записать заново с изменениями. Эта операция называется write amplification («усиление записи»), и именно из-за неё SSD при интенсивной записи работает медленнее, чем при чтении.

Чтобы справиться с этим ограничением, SSD содержит собственный микропроцессор - контроллер. Он занимается wear leveling (равномерным распределением записей по всем ячейкам, чтобы они изнашивались равномерно), сборкой мусора (объединением полуживых блоков в свободные) и обработкой команды TRIM.

Команда TRIM: как SSD узнаёт, что файл удалён

Вот тонкий момент: когда вы удаляете файл на SSD, операционная система убирает запись о нём из файловой таблицы, но блоки с данными физически остаются нетронутыми. SSD не знает, что эти блоки уже свободны - ему никто не сообщил.

Это проблема: при следующей записи контроллер не может просто записать данные поверх «старых» - нужен лишний цикл стирания. Это замедляет диск по мере заполнения. Именно для этого существует команда TRIM: операционная система периодически сообщает SSD список блоков, которые больше не нужны. Контроллер заранее их стирает в фоновом режиме, и следующая запись происходит в уже чистые блоки без задержки.

TRIM поддерживается в Windows, macOS и Linux. В современных системах он включён по умолчанию для всех подключённых SSD. На старых машинах или нестандартных конфигурациях стоит проверить, активен ли он - без TRIM SSD со временем заметно замедляется.

🗑️ Почему удалённый файл можно восстановить

Когда вы отправляете файл в корзину и затем очищаете её, большинство людей уверены: файл уничтожен. На самом деле - нет.

На уровне файловой системы происходит следующее. Запись о файле в MFT (на NTFS) или в inode-таблице (на Linux) помечается как «свободная». Кластеры, где лежат данные, отмечаются как доступные для повторного использования. Но сами данные никуда не исчезают. Они физически остаются на диске - просто система считает, что место свободно, и при необходимости запишет туда что-нибудь новое.

До тех пор пока новые данные не перезапишут старое место - файл существует. Программы восстановления данных (R-Studio, Recuva, PhotoRec) именно этим и занимаются: сканируют диск в поисках «осиротевших» данных, у которых есть тело, но нет записи в оглавлении. Чем больше нового было записано после удаления - тем меньше шансов на восстановление.

Безопасное удаление: когда это важно

Если вы хотите, чтобы файл действительно нельзя было восстановить, нужно явно перезаписать его место на диске. На HDD это делает утилита Cipher с ключом /w на Windows, команда diskutil secureErase на macOS, утилита shred на Linux.

Но с SSD ситуация принципиально другая. Из-за wear leveling контроллер сам решает, в какие физические ячейки записывать данные - и даже если вы «перезаписываете» файл, контроллер запишет новые данные в другое место, а старые ячейки оставит нетронутыми в резервной зоне. Утилиты перезаписи на SSD фактически бесполезны: они пишут поверх свежих ячеек, а оригинал остаётся. Единственный надёжный способ уничтожить данные на SSD - включить аппаратное шифрование при первичной настройке диска (BitLocker, FileVault) и уничтожить ключ. Все данные мгновенно становятся нечитаемым шумом без какой-либо перезаписи.

📸 Снапшоты: история версий файловой системы

Современные файловые системы умеют делать снапшоты - моментальные «фотографии» всего состояния диска на конкретный момент. Это работает благодаря Copy-on-Write: система фиксирует все текущие указатели, и при изменении файлов старые блоки не трогаются, а новые пишутся рядом. Снапшот «видит» состояние на момент создания, хотя физически данные продолжают меняться.

На практике это означает: если вы случайно удалили файл час назад, а снапшот был сделан два часа назад - файл можно вернуть мгновенно, без всякого восстановления. Time Machine на macOS делает именно это: снапшоты каждый час. Серверные файловые системы ZFS и Btrfs предлагают то же самое для Linux - администратор может «откатить» весь диск на позавчерашнее состояние за секунды.

🔧 Практика: что стоит знать о своём диске

Большинство проблем с дисками заметны заранее - если знать, на что смотреть.

Заполненность диска влияет на скорость. Когда HDD заполнен более чем на 85–90%, свободное место разбросано мелкими фрагментами по всему диску, и новые файлы неизбежно фрагментируются. SSD при заполнении более 90% теряет скорость записи из-за нехватки свободных блоков для сборки мусора. Держите хотя бы 10–15% диска свободными.

S.M.A.R.T. - встроенная диагностика дисков. Каждый HDD и SSD ведёт журнал собственного здоровья: температура, количество ошибок чтения, количество переназначенных секторов (у HDD), использованный ресурс ячеек (у SSD). Программы CrystalDiskInfo (Windows) или smartmontools (Linux) читают эти данные. Если появляются «переназначенные сектора» на HDD — это ранний признак неизбежного отказа.

Внезапные тормоза Windows могут быть признаком умирающего HDD. Если система периодически «подвисает» на несколько секунд при обращении к файлам - диск, скорее всего, читает сектора с трудом и повторяет попытки. Это называется pending sectors. Данные ещё читаются, но диск уже «думает» о замене проблемных секторов. Самое время сделать резервную копию.

Итог: файл — это адрес, а не данные

Главный вывод, который стоит унести из этой статьи: файл — это не сами данные, а запись о том, где данные находятся. Когда вы «удаляете» файл, вы удаляете запись. Когда копируете на другой диск - копируете данные и создаёте новую запись. Когда теряете доступ из-за повреждения файловой системы - данные часто целы, просто «путеводитель» к ним сломан.

Отсюда следует кое-что практичное. Потеряли важные фото - не записывайте на этот диск ничего нового и сразу несите к специалисту: шансы восстановить данные резко падают с каждым записанным мегабайтом. Хотите продать ноутбук - простого форматирования недостаточно, нужно либо шифрование, либо специальное стирание. А резервные копии важны не только на случай вирусов - диски умирают без предупреждения, и лучший момент для резервной копии всегда был «вчера».

В следующей статье мы поговорим о том, что происходит, когда на компьютере стоят Windows, Linux, macOS или Android - как одни и те же идеи воплощены по-разному и почему Android — это, по сути, Linux.

© 2008–2026 ANY.BY - ремонт компьютеров и ноутбуков в Барановичах. Использование материалов сайта возможно с письменного разрешения.

📞 Мы на связи для Вас:

+375 (33) 323 7000 +375 (29) 323 7000 Написать в Telegram Написать в Viber Схема проезда к мастерской