Sistemas Operativos - Ficheiros - 2016/2017 PDF

4. Sistema de Ficheiros Sistemas Operativos Chapter 4 2016/2017 Valentim Realinho Introdução  Problema  Como armazenar grandes quantidades de informação e de forma permanente, num suporte que o permita: disquete, disco, CD, e...

4. Sistema de Ficheiros Sistemas Operativos Chapter 4 2016/2017 Valentim Realinho Introdução  Problema  Como armazenar grandes quantidades de informação e de forma permanente, num suporte que o permita: disquete, disco, CD, etc. ?  Solução  sobrepor à organização física do "meio" (sectores,...) uma organização em "peças" de informação lógica: ficheiros é da responsabilidade do SO criar esta organização lógica 2 Introdução  Sistema de Ficheiros (File System)  A forma como o SO organiza o suporte físico em ficheiros  formatação do disco, localização dos ficheiros no disco,...  Proporciona os mecanismos para o "utilizadores" (programas) lidarem com eles  acesso: criação, leitura/escrita  protecção  buffering... 3 Ficheiros – Nome  Nome - forma de identificação do ficheiro  O primeiro aspecto visível de utilização de um ficheiro  ex: comandos > cp um_ficheiro outro_ficheiro  Dimensão  MS/DOS – tamanho fixo – 8+3 (extensão)  Linux – tamanho variável (limite de 255 caracteres)  Extensão – formal ou informalmente indicia a natureza (ou conteúdo) do ficheiro  Case sensitive – distinguir letras maiúsculas e minúsculas  Unix: case sensitive  Windows : case insensitive (por razões de compatibilidade com versões anteriores e MS/DOS) 4 Ficheiros – Extensão  Extensão  Windows  Extensões têm significado formal no SO  ex: ficheiro.exe – um executável  Pode-se relacionar uma extensão com uma aplicação (registry)  Permite invocar uma aplicação (isto é executar um programa) abrindo um ficheiro com a extensão correspondente  ex: ficheiro.doc => executar programa winword.exe (passando o ficheiro como argumento)  Unix  As extensões são convencionais (tratadas pelo utilizador) e, eventualmente, forçadas pelos programas que tratam determinado tipo de ficheiros  ex: compilador.c.o; 5 Ficheiros – Extensão  Extensões – alguns exemplos .c.cpp.h.java  ficheiros fonte c/c++, java (texto); .o.obj.lib  objecto; livrarias compiladas; (binário); .htm.html.xml  ficheiros com texto marcado para internet (texto); .bmp.jpeg.mp3.mpg  imagens;conteúdos multimédia; (binário); .doc.xls.mdb.ppt  aplicações microsoft windows; (binário) .zip.Z  contentor de outros ficheiros, comprimidos; (binário); 6 Ficheiros – Conteúdo  Conteúdo físico Classificação pelo conteúdo físico do ficheiro, independentemente do conteúdo funcional  Ficheiros de texto  Conteúdo físico:  Sequência de caracteres ASCII, incluindo alguns caracteres especiais: 10 (Line feeder), 13 (Carriage return)  Conteúdo visível directamente:  ex: > cat /etc/passwd  O conteúdo funcional pode ser o mais diverso:  ex: fonte c; script shell; dados xml 7 Ficheiros – Conteúdo  Conteúdo físico  Ficheiros binários  Conteúdo “físico” não interpretável como um conjunto de caracteres ASCII  Não é visível directamente; ex:  > cat /bin/cat; reset  Tratáveis apenas por programas (ou os próprios ficheiros são programas) 8 Ficheiros – Conteúdo  Exemplo: registo de dados em formato de texto e formato binário Resultado: #include ficheiro com 2 bytes int main() { código do caractere '3' e int i = 37; código do caractere '7' FILE *fp = fopen("teste.txt", "w"); fprintf(fp, "%d", i); fclose(fp); } #include Resultado: int main() ficheiro com 4 bytes { int i = 37; representando o número FILE *fp = fopen("teste.txt", "w"); 37 em binário fwrite(&i, sizeof(i), 1 , fp); (numa máquina com inteiros de 32 bit´s) fclose(fp); } 9 Ficheiros – Acesso  Ficheiros de acesso sequencial  Localizar lendo o ficheiro, desde o início até à posição pretendida  Ex: é dado um ficheiro de texto com vários números inteiros, um em cada linha – para obter o 13º número: #include main() { int i, n; FILE *fp = fopen("teste.txt", "r"); for (i=1; i novo_ficheiro ; fopen(..., "w" );  delete – remover um ficheiro  rm antigo.txt; remove(...);  open – abrir um ficheiro para determinada operação  fopen (... , "r");  close – fechar um ficheiro depois de concluído um conjunto de operações  ex: fclose(...);  read – ler o conteúdo de um ficheiro  ex: cat teste ; fgets (...); 13 Ficheiros – Operações  Operações de manipulação de um ficheiro  write – escrever (alterar) o conteúdo de um ficheiro  cat > teste ; fprintf (...);  append – acrescentar ao conteúdo anterior  cat >> teste ; fopen(..., "w+");  seek – posicionamento para acesso directo  fseek (...)  get/set attributes – obter / alterar atributos  chmod ; chmod (...); stat (...);  rename – alterar o nome de um ficheiro  mv.... ; rename (...); 14 Ficheiros – Operações  lock bloqueio de todo / parte do ficheiro: mecanismo de exclusão para acesso simultâneo lock READ (não exclusivo) pode ser feito por vários processos; impede o lock WRITE por um outro processo lock WRITE (exclusivo) impede qualquer outro lock (read ou write) por um outro processo;  memory mapped files mapeamento do ficheiro no espaço de endereçamento do processo; permite o acesso ao ficheiro através de "variáveis"; 15 Directórios  Árvore de directórios e ficheiros  Directórios (nós) – contêm uma lista de outros directórios ou ficheiros (folhas)  Nome do ficheiro – nome único na árvore de ficheiros – caminho desde o directório principal (raiz) até directório onde o ficheiro se encontra  Ou nome relativo – caminho a partir de um directório intermédio ("corrente")  Link – representação do mesmo ficheiro em mais que um directório  soft – referência simbólica para um ficheiro real definido noutro directório  hard – representação do mesmo ficheiro em mais que um directório 16 Discos e partições  Disco: organização típica  A formatação de baixo nível divide o disco em sectores (blocos)  Em cima dessa formatação, o disco é dividido em partições (uma ou mais por disco)  Cada partição pode ter um sistema de ficheiros diferente  Master Boot Record e Partições  O sector 0 do disco contém o MBR e a tabela de partições  MBR – programa de boot ("arranque") do disco  Tabela de partições – lista das partições existentes no disco Tabela de partições Disco MBR Partição 1 Partição 2 17 Discos e partições  Partição: organização típica  Boot block  Programa de arranque do sistema operativo instalado na partição  Super-block  Informação característica do sistema de ficheiros instalado  Tabelas / estruturas de colocação  Informação relativa aos blocos do disco livres/ocupados com ficheiros  Elementos de controlo e gestão próprios de cada sistema de ficheiros  Unix: i-nodes  MS/DOS: FAT  Directórios e ficheiros  Sectores ocupados com os ficheiros e directórios armazenados no disco Boot block Super block Tab. colocação Directórios e ficheiros 18 Implementação do Sistema de Ficheiros  Colocação contígua Armazenamento de cada ficheiro num conjunto de bloco contíguos  Vantagens:  Implementação simples – para cada ficheiro, basta o SO saber o bloco inicial e final (ou nº de blocos)  Eficiente em termos de leitura – sempre bloco contíguos a a a b b b b b b c c d d d d e e f f f f f Ficheiro Início Nº de blocos Partição a 0 3 b 3 6 c 9 2 Tabela de colocação d 11 4 e 15 2 f 17 5 19 Implementação do Sistema de Ficheiros  Desvantagem:  Fragmentação resultante da remoção / criação de novos ficheiros, que só pode ser eliminada com compactação Ex: removeu-se a,c e e; um ficheiro d que ocupa 4 blocos só pode ser colocado após uma compactação... a a a b b b b b b c c d d d d e e f f f f f b b b b b b d d d d f f f f f  Este sistema é útil em CD-ROMs, pois  conhece-se à partida a dimensão de cada ficheiro  não são feitas remoções de ficheiros após a gravação 20 Implementação do Sistema de Ficheiros  Lista ligada de blocos Mantém-se uma lista ligada dos blocos ocupados por cada ficheiro; Em cada bloco, para além dos dados, guarda-se também um apontador para o bloco seguinte do mesmo ficheiro  Vantagens:  Todos os blocos podem ser ocupados (a fragmentação não é problemática)  Ao SO basta saber a localização do 1º bloco. a b a a b a b b 21 Implementação do Sistema de Ficheiros  Desvantagens:  Acesso sequencial – para chegar a um bloco é preciso passar pelos anteriores  Em ficheiros que ocupem muitos blocos espalhados pela partição o acesso aos últimos blocos é demasiado lento  Ex: para aceder ao último bloco de um ficheiro com 1000 blocos – será necessário que sejam lidos os 999 blocos anteriores  O tamanho real de cada bloco é diminuído pelo espaço ocupado pelo apontador 22 Implementação do Sistema de Ficheiros  FAT – File Allocation Table Manter em memória uma tabela com uma representação da lista ligada de blocos. Em cada posição da tabela indica-se o bloco seguinte do ficheiro.  Vantagens  Tal como no modelo anterior, a fragmentação não é problemática  Cada bloco é utilizado integralmente para armazenamento de dados (ao contrário do esquema anterior)  Facilita o acesso directo – para obter um bloco basta percorrer a FAT (mais rápido, pois percorre-se a memória e não o disco)  Desvantagem  A dimensão da FAT pode ser demasiado grande  Ex: 20GB de disco , blocos de 1KB indexados com 4 Bytes  A FAT terá uma dimensão de 80MBytes 23 Implementação do Sistema de Ficheiros  Exemplo: FAT... 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20...... 10 18 a b a b b c a c 11 13 12 10 13 14 No directório basta guardar o 14 -1 bloco de início de cada ficheiro 15 0 16 0 Ficheiro 1º bloco 17 20 a 12 18 -1 b 11 19 0 c 17 20 -1... “0” representa bloco livre “ –1” representa último bloco do ficheiro 24 Implementação do Sistema de Ficheiros  I-Nodes associar a cada ficheiro uma estrutura de dados contendo a localização em disco e os atributos do ficheiro  O i-node contém um número limitado de blocos do ficheiro  Para ficheiros de maior dimensão são atribuídos ao i-node outros blocos que contém tabelas com nºs de bloco extra  O i-node contém todas as características do ficheiro, excepto o nome que figura no (ou nos) directórios onde o i-node é incluído  Vantagens  A fragmentação não é problemática  Para aceder a um ficheiro basta ter o respectivo i-node em memória (não é necessário dispor de toda uma tabela de alocação)  Facilita a partilha de ficheiros através de hard links 25 Implementação do Sistema de Ficheiros  Exemplo:... 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20... a b a b b b b b a b b b b I-node de a I-node de b Atributos de a Atributos de b 12 11 Blocos extra 10 13 18 14 20 - 15 21 - 16 - - 17 - - 19 - outros blocos: - outros blocos: - - - 26 Implementação do Sistema de Ficheiros  Implementação dos directórios  Directório  Um directório é basicamente uma lista de nomes, a cada um dos quais se associam os respectivos atributos e localização em disco  O directório é um ficheiro especial  Situações típicas  O directório contém os atributos do ficheiro e a localização do primeiro bloco em disco - a partir do primeiro bloco localizam-se os restantes (ex: lista ligada, FAT,..)  O directório contém o nome do ficheiro e o endereço de uma estrutura que contém os atributos do ficheiro e sua localização do em disco (ex: i-nodes)  Questões de implementação  Lidar com nomes de dimensão variável (fragmentação e compactação nos directórios)  Procurar ficheiros em directórios grandes (utilização de hash-tables e estruturas em árvore) 27 Implementação do Sistema de Ficheiros  Ficheiros partilhados Possibilidade de um mesmo ficheiro figurar em mais que um directório  Hard link (ligação real)  Incluir o mesmo ficheiro em mais que um directório  Replicar em cada directório os atributos e localização no disco  Implementação simples com i-nodes – basta replicar o nº de i-node  Implementação complexa se os atributos estiverem contidos no directório – as alterações têm que ser replicadas em cada ligação  Soft link (ligação simbólica)  Incluir num directório o nome de outro ficheiro que contém o caminho para o ficheiro original  Através do caminho acede-se à entrada de directório do ficheiro original e, por essa via, aos seus atributos e localização em disco 28 Questões de Implementação  Dimensão do bloco (Qual será a melhor dimensão para os blocos ?)  Eficácia de leitura – relação entre o tempo de leitura e a informação efectivamente obtida do disco  Aumenta com a dimensão do bloco  menor overhead de posicionamento em cada leitura  menor número de leituras necessárias para obter os dados  Eficácia de ocupação – relação entre o espaço físico ocupado e o respectivo aproveitamento em termos de dados  Diminui com o aumento da dimensão do bloco  desperdício devido ao ajuste da dimensão do ficheiro para um número fixo de blocos exemplo: um ficheiro de dimensão 1 byte desperdiça o resto da dimensão do bloco 29 Questões de Implementação  Variação da eficácia com a dimensão do bloco Eficácia de armazenamento Eficácia de leitura Dimensão do bloco 30 Questões de Implementação  Controlo da lista de blocos livres estrutura de dados de controlo dos blocos de disco não ocupados por ficheiros  Lista ligada  Lista ligada com o número de cada um dos blocos livres  Criação de um ficheiro:  Obter os primeiros blocos da lista (até à dimensão do ficheiro) e de seguida retirá-los da lista  Remoção de um ficheiro:  Acrescentar os respectivos blocos à lista  Método simples, mas poderá levar a dispersão dos ficheiros por vários blocos não contíguos  A dimensão da lista poderá ser bastante grande se o disco estiver pouco ocupado 31 Questões de Implementação  Bitmap  Sequência com um número de bits igual ao número de blocos  Bit a “0” significa bloco livre  Bit a “1” significa bloco ocupado  Dimensão fixa  Quase sempre uma dimensão menor que na solução com lista (excepto quando disco está quase cheio)  Facilita a procura de blocos contíguos / próximos  Basta procurar 0's contíguos / próximos no bitmap 32 Questões de Implementação  Backup Salvaguarda de segurança  Backup incremental – apenas as alterações desde o backup anterior  Com base no dispositivo físico – backup completo (imagem) de um disco  Com base na organização – backup de parte dos ficheiros  Evitam-se geralmente backups de:  Programas (pois podem-se reinstalar)  Ficheiros que modelizam dispositivos (bloco, caractere)  Consistência Mecanismos de verificação e recuperação da consistência do sistema de ficheiros 33 Questões de Implementação  Caching  Manter em memória blocos mais recentes / maior probabilidade de uso futuro  Leitura antecipada  Leitura e caching, por antecipação, de vários blocos  Armazenamento contíguo  Tentar colocar o ficheiro em blocos de disco contíguos  Reduz-se o tempo de overhead relativo ao posicionamento no disco 34