sistema de arquivos · 2010. 3. 30. · sistemas baseados em fita l inicialmente, cada arquivo era...
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Sistema de Arquivos
Ambientes OperacionaisProf. Simão Sirineo Toscani
stoscani@inf.pucrs.brwww.inf.pucrs.br/~stoscani
Gerência de Arquivos
l É um dos serviços mais visíveis do SO.
l Arquivos são normalmente implementados a partir de discos magnéticos.
l Como um acesso a disco demora cerca de 10000 vezes mais que um acesso à memória, são necessárias estruturas de dados e algoritmos que otimizem os acessos ao disco.
Arquivo
l Coleção de dados relacionados entre si
l Referenciados através de nomes
l Possuem atributos como:• tipo
• momento da criação
• tamanho• nome do criador
Tipos de Arquivosl Cada arquivo possui uma estrutura interna,
conforme sua aplicação:• Um arquivo texto (.doc) é composto por uma
sequência de caracteres organizados em linhas e parágrafos
• um programa executável é uma seqüência de bytes representando instruções em código de máquina
• um programa fonte é uma seqüência de caracteres que representam comandos de uma linguagem de programação (arquivos tipo “somente texto”, que não admitem qualquer tipo de formatação especial)
Sistemas Baseados em Fita
l Inicialmente, cada arquivo era gravado em uma única fita. Haviam dois problemas:• Arquivos muito grandes não cabiam em uma fita
• Arquivos pequenos geravam desperdício de espaço
l Criação de sistemas multi-volume, para suprir necessidades de arquivos grandes
l Utilização de diretórios permitiram armazenar diversos arquivos em uma única fita
Sistemas Baseados em Fitas
l Diretório: criado para localizar a partição em que se encontra cada arquivo na fita.
l Cada entrada do diretório contém um nome de arquivo e sua posição na fita.
Sistemas Baseados em Fital Leitura de arquivo:
• localizar e carregar a fita indicada pelo usuário
• localizar no diretório a entrada correspondente ao arquivo
• posicionar a fita no ponto correspondente ao início do arquivo
• iniciar a leitura
• terminar a leitura quando encontrar a marca de fim de arquivo
Sistemas Baseados em Disco
l Um disco é dividido em trilhas
l O número de trilhas é particular de cada dispositivo
l Cada trilha dividida em setores
l Setor a menor unidade de informação que pode ser lida ou escrita em um disco
Sistemas Baseados em Disco
l Acesso a um setor:• informar face, trilha e setor desejado
• as cabeças de leitura e gravação são deslocadas até a trilha correta (tempo de seek),
• o cabeçote da face correta é selecionado eletronicamente
• esperar até o setor desejado passar por baixo do cabeçote (tempo de latência)
Sistemas Baseados em Disco
l Normalmente, uma unidade de disco rígido éformada por vários discos superpostos (no máximo 8 discos, com a tecnologia atual)
l Cilindro: é formado pelas trilhas que estão na mesma posição, porém em diferentes faces (no caso de 8 discos superpostos cada cilindro é formado por 16 trilhas).
l Não é necessário deslocar as cabeças para acessar trilhas de um mesmo cilindro
Sistemas Baseados em Disco
l Hoje em dia, o SO trata o disco como um vetor de blocos, cada bloco corresponde a um setor.
l Vantagem do disco sobre a fita:• possibilidade de acessar facilmente qualquer
setor a qualquer momento (a fita permite apenas o acesso seqüencial)
Sistemas Baseados em Discos
l Os discos possuem diretórios
l Os diretórios são armazenados no próprio disco, normalmente em um endereço fixo
l Isto possibilita a remoção do disco sem perda das informações correspondentes aos arquivos
Suporte a Arquivos
l Chamadas de sistema permitem as seguintes operações sobre arquivos:• criar um arquivo
• escrever no arquivo
• ler o arquivo
• remover o arquivo
• reposicionar o ponto de acesso ao arquivo
Operações em Arquivos
l Criar um arquivo:• necessita de dois passos:
• encontrar e alocar espaço suficiente no disco,• adicionar uma entrada no diretório para conter as
informações referentes ao arquivo (nome, localização, ...)
Operações em Arquivos
l Escrever no Arquivo:• para escrever em uma arquivo o usuário deve
fornecer o nome do arquivo e o bloco com a informação a ser escrita
• O SO procura a localização do final do arquivo no disco, escreve o bloco e atualiza o ponteiro de final de arquivo
Operações em Arquivos
l Ler o Arquivo:• o usuário executa uma chamada de sistema
fornecendo o nome do arquivo e a posição da memória principal para onde as informações do bloco serão copiadas
Operações em Arquivos
l Remover o Arquivo:• pesquisa o diretório e remove a entrada
correspondente ao arquivo. Libera o espaço em disco ocupado pelo arquivo
Operações em Arquivos
l Reposicionar o arquivo:• consiste em localizar a entrada no diretório
correspondente ao arquivo e modificar o valor do ponteiro que indica a posição corrente do arquivo
Operações em Arquivos
l Todas as operações sobre um arquivo envolvem uma pesquisa no diretório em busca da entrada correspondente ao arquivo desejado.
l Cada entrada do diretório corresponde a um descritor de arquivo
l O descritor contém todas as informações necessárias para a manipulação do arquivo
Tabela de Descritores de Arquivos Abertos (TDAA)
l O acesso a um arquivo é feito através do seu descritor
l Para evitar a pesquisa freqüente ao disco, o SO mantém na memória uma Tabela de Descritores de Arquivos Abertos
l O arquivo é aberto quando ele começa a ser utilizado (desse modo, todas as informações sobre os arquivos em uso são mantidas na memória principal)
TDAA e TAAPl Um mesmo arquivo pode ser utilizado simultaneamente por
vários processos (i.é, uma mesma entrada da TDAA pode ser utilizada por vários processos)
l Por isso, cada entrada da TDAA contém uma indicação de quantos processos estão utilizando o arquivo correntemente
l O mesmo arquivo pode estar sendo acessado por diferentes processos em pontos diferentes e com direitos de acesso diferentes
l Por isso, cada processo contém uma tabela extra com informações apenas sobre os arquivos abertos por esse processo. Essa tabela é denominada Tabela de Arquivos Abertos por Processo (TAAP)
Tabela de Arquivos Abertos por Processo (TAAP)
l No mínimo, a TAAP contém em cada entrada as seguintes informações:• Posição corrente no arquivo;
• Tipo de acesso (apenas leitura ou leitura e escrita);
• Apontador para a entrada correspondente na TDAA.
TDAA e TAAP
TDAAPos. Cor. 12Leitura
TAAP do processo 0
Pos. Cor. 10Leitura
TAAP do processo 1
Pos. Cor. 55Leit. & Escr.
Arquivo A
Arquivo B
0
1
2
3
0
2
2 4
0
1
0
Tanto a TDAA como as TAAP devem ficar na memória do sistema operacional, fora do acesso dos processos de usuário.
Métodos de Acesso
l Acesso seqüencial
l Acesso direto
l Acesso indexado
Acesso Seqüencial
l Uma leitura sempre acessa o próximo registro e avança um ponteiro sobre o arquivo
l O ponteiro indica qual a próxima posição a ser lida ou escrita
Acesso Seqüencial
Arquivo
A
B
C
D
E
F
Ler Arquivo
...
A
Ler Arquivo
B
Ler Arquivo
C
Acesso Direto
l O arquivo é uma seqüência numerada de registros (blocos)
l Qualquer registro pode ser diretamente lido ou escrito
Acesso Direto
Arquivo
A
B
C
D
E
F
Ler Arquivo, posição 2
...
C
Ler Arquivo, posição 4
E
Ler Arquivo, posição 0
A
Acesso indexado
l Envolve a construção de índices nos descritores de arquivos
l Usa como base o serviço de acesso direto
Gerência do Espaço Livre
l Espaço em disco é limitado, por isto énecessário reaproveitar todo o espaço disponível
l Lista de setores livres: mantida pelo SO para controlar os espaços livres no disco
Métodos de Alocação
l Contígua
l Encadeada
l Indexada
Alocação Contígua
l Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos (setores) contíguos no disco
l Para localizar um arquivo basta saber o número do primeiro setor e o tamanho do arquivo em blocos
l Para acessar o arquivo de forma seqüencial, o SO mantém o número do último bloco acessado
Alocação Contígua
l Dificulta o processo de localizar espaço livre para novos arquivos
l Usa os algoritmos:• first-fit: utiliza o primeiro espaço grande o
suficiente que for encontrado
• best-fit: utiliza espaço livre que deixa a menor sobra
• worst-fit: maior sobra
Alocação Contígua
l No momento da criação, é difícil determinar o número de blocos a serem alocados para o arquivo
l É difícil aumentar o tamanho do arquivo
Alocação Encadeada
l Cada arquivo corresponde a uma lista encadeada de blocos, estando os mesmos em qualquer local do disco
l Diretório possui apenas o endereço do bloco inicial e o número de blocos (ou endereço do último bloco)
l Cada bloco possui o endereço do bloco seguinte (ponteiros associados a cada bloco)
Alocação Encadeada
l Os arquivos podem ser criados com tamanho zero
l Inserções em arquivos resultam na retirada de blocos da lista de livres e inserção dos mesmos na lista que forma o arquivo
Alocação Encadeada
l Não permite acesso direto a um bloco
l Eficiente na implementação de acesso seqüencial
l Não confiável: caso ocorra algum problema com um bloco, boa parte do arquivo é perdida, pois cada bloco possui um link para o setor seguinte
Alocação Indexada
l Cada arquivo possui um bloco de índices
l O diretório possui o endereço do bloco de índices de cada arquivo
l Para acessar um bloco específico do arquivo é necessário acessar o bloco de índices para determinar o seu endereço físico no disco
l Os arquivos podem ser criados com tamanho zero
Alocação IndexadaDisco
BlocoFísico
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
11
13
BL 0
BL 1
BL 2
BL 3
BL 4
BL 5
Descritor
Indices:
Tamanho: 6
8
5
1
7
11
30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Alocação Indexada
l Permite acesso direto
l Ocupa-se um setor inteiro para índices
l Para arquivos grandes são necessários vários setores de índices
Tamanho da tabela de índicesl Uma questão importante é o tamanho da tabela de
índices. O número de entradas na tabela define o tamanho máximo de um arquivo no sistema.
l Se cada bloco físico tem 4 Kbytes, para que o tamanho máximo de um arquivo seja 4 Gbytes, é necessário uma tabela de índices com “4 Gbytes ÷ 4 Kbytes” entradas, ou seja, 1.048.576 entradas (o que é um exagero)
l Por outro lado, uma tabela de índices com apenas 5 entradas seria suficiente para um arquivo de 20 Kbytes (este é o tamanho médio dos arquivos em sistemas de propósito geral)
Tamanho da tabela de índices
l A solução típica que compatibiliza eficiência na representação de arquivos pequenos e tamanho máximo satisfatório para arquivos grandes éempregar níveis de indireção na indexação.
l O slide a seguir mostra o uso de índices(apontadores diretos e indiretos) no sistema Unix
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
... ...
Bloco de dados (4 Kbytes)
... Bloco de apontadores
( 1024 apontadores de 4 bytes)
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
1024 * 4K
1024 * 1024 * 4K
...
...
1024 * 1024 * 1024 * 4K
...
10 * 4K
... ...
Sistema de Diretórios
l Diretório de nível único
l Diretório de dois níveis
l Diretórios em forma de árvore
Diretório de Nível Único
l Todos os arquivos fazem parte do mesmo diretório
l Problemas de organizaçãono caso de muitos arquivos. É necessário nome único para cada arquivo
Diretório de Dois Níveis
l Criam-se diretórios separados para cada usuário
l No diretório principal mantem-se apenas os endereços dos diretórios dos usuários
l Proteção contra acessos indevidos
Diretórios Estruturados em Árvore
l Os usuários podem criar seus próprios sub-diretórios para organizar seus arquivos
l A árvore possui um diretório raiz
l Cada arquivo possui um pathname(nome do arquivo composto pelos nomes de diretórios que formam o caminho da raiz até ele)
Formas de Implementar Diretórios l Basicamente, um diretório contém um conjunto
de descritores (que apontam para outros diretórios ou para arquivos de dados)
l A forma mais simples de implementar diretórios é considerá-los como arquivos especiais, cujo conteúdo é manipulado pelo próprio SO
l Diretórios passam a ser arquivos cujo conteúdo é definido pelo SO e cujo acesso, por parte de usuários, é controlado
Formas de Implementar Diretórios
l Um diretório pode ser organizado na forma de:• um conjunto de descritores de arquivos
• um conjunto de endereços de descritores de arquivos
Diretório organizado como um conjunto de descritores de arquivos
l O diretório contém diretamente os registros descritores (de arquivos ou diretórios)
l Desvantagens:• (1) os nomes ficam fortemente vinculados aos
descritores de arquivos (impede, p.ex., que se use mais de um nome para um mesmo arquivo);
• (2) os diretórios tendem a ser maiores e estão mais sujeitos a inconsistências, pois estão espalhadas por todo o disco.
Diretório organizado como um conjunto de descritores de arquivos
"etc"
"usr"
"bin"
atributoslocalização
atributoslocalização
atributoslocalização
conteúdo doarquivo "/usr"
conteúdo doarquivo "/bin"
"passwd"
"hosts"
atributoslocalização
atributoslocalização
conteúdo doarquivo "/etc/passwd"
conteúdo doarquivo "/etc/hosts"
(retângulos de cantos agudos representam diretórios e retângulos de cantos arrendodados representam arquivos de dados)
Diretório organizado como um conjunto de endereços de descritores
l Cada entrada do diretório contém um par: um nome de arquivo (ou de diretório) e um ponteiro para o descritor correspondente
l Neste esquema, é comum reservar uma parte do disco para armazenar exclusivamente os descritores de arquivos
l Esses blocos reservados constituem um vetor de descritores, no qual cada descritor pode ser perfeitamente identificado pela posição nesse vetor.
Diretório organizado como um conjunto de endereços de descritores
"etc"
"usr"
"bin"
2
3
conteúdo doarquivo "/usr"
conteúdo doarquivo "/bin"
"passwd"
"hosts"
4
5
conteúdo do "/"
conteúdo do "/etc"
atributoslocalização
atributoslocalização
atributoslocalização
atributoslocalização
atributoslocalização
atributoslocalização
0
1
2
3
4
5
conteúdo doarquivo "/etc/passwd"
conteúdo doarquivo "/etc/hosts"
1
sistema de arquivos flat
Supõe-se que o primeiro descritor do vetor de descritores (índice 0) descreve o diretório raiz da árvore
Proteção dos Arquivos
l Confiabilidade: é proteção física• obtêm-se criando cópias dos arquivos
l Proteção: é precaução contra acessos indevidos• obtêm-se impossibilitando o acesso por
outros usuários• tipos de acesso: leitura, gravação e execução
(envolvem acesso a arquivo); criação e remoção (envolvem acesso a diretório)
Questões de Implementaçãol Definição de como o sistema de arquivos vai
ser visto pelo usuário (conjunto de arquivos lógicos): • definição de arquivos e seus atributos• operações permitidas• estrutura de diretórios
l Definição dos algoritmos e estruturas de dados a serem usados para mapear o sistema de arquivos lógicos nos dispositivos físicos utilizados pelo sistema de arquivos
Questões de Implementação
l Conceitualmente, um sistema de arquivos é dividido em três níveis de serviço:• serviço de disco
• serviço de arquivo básico
• serviço de de diretório
Níveis de Serviço
l Serviço de disco: responsável pela leitura e escrita de setores diretamente no disco, sem se preocupar com a organização dos arquivos
l Serviço de arquivo básico: lida com a abstração de arquivos, compostos por um conjunto de registros (blocos). Operações básicas do tipo leitura e escrita a partir de uma determinada posição do arquivo
Níveis de Serviço
l Serviço de diretório: preocupa-se com a identificação e proteção de arquivos descritos a partir de diretórios, de forma que eles sejam acessados de forma segura e conveniente.
l Os diretórios mapeiam nomes simbólicos em identificadores numéricos utilizados pelo serviço de arquivos (camada de baixo)
Níveis de Serviço
Serviço de Disco
Serviço de Arquivo Básico
Serviço de Diretório
Usuários
FIM
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