Capítulo 11: Implementação de Sistemas de Arquivos. Operating System Concepts 8th Edition

Transcrição

1 Capítulo 11: Implementação de Sistemas de Arquivos

2 Sobre a apresentação (About the slides) Os slides e figuras dessa apresentação foram criados por Silberschatz, Galvin e Gagne em Esse apresentação foi modificada por Cristiano Costa (cac@unisinos.br). Basicamente, os slides originais foram traduzidos para o Português do Brasil. É possível acessar os slides originais em Essa versão pode ser obtida em The slides and figures in this presentation are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, This presentation has been modified by Cristiano Costa (cac@unisinos.br). Basically it was translated to Brazilian Portuguese. You can access the original slides at This version could be downloaded at

3 Capítulo 11: Implementação de Sistemas de Arquivos Estrutura do Sistemas de Arquivos Implementação de Sistemas de Arquivos Implementação de Diretório Métodos de Alocação Gerenciamento do Espaço Livre Eficiência e Desempenho Recuperação Sistemas de Arquivos Baseados em Registro de Operações (Log) NFS Exemplo: Sistemas de Arquivos WAFL 11.3

4 Objetivos Descrever os detalhes de implementação de sistemas de arquivos locais e estruturas de diretórios Descrever a implementação de sistemas de arquivos remotos Discutir alocação de blocos e algoritmos de blocos livres e relação custo- benefício 11.4

5 Estrutura de Sistemas de Arquivos Estrutura do Arquivo Unidade de Armazenamento Lógica Coleção de informações relacionadas O Sistema de arquivos reside em armazenamento secundário (discos). Provê interface de usuário ao armazenamento, mapeando o lógico para o físico. Provê acesso eficiente e conveniente aos discos permitindo o fácil armazenamento de dados e sua localização. O disco provê alteração de dados no próprio local e acesso aleatório Transferências de E/S são realizadas em blocos de setores (geralmente 512 bytes) Bloco de Controle de Arquivo (File control block): estrutura de armazenamento contendo informações sobre um arquivo. Driver de dispositivo (Device driver): controla o dispositivo físico. Sistema de arquivos organizado em camadas. 11.5

6 Sistemas de Arquivos em Camadas 11.6

7 Implementação de Sistemas de Arquvios Boot control block contém informações necessárias pelo sistema para iniciar o SO naquele volume Volume control block contém detalhes do volume Estrutura de diretório organiza os arquivos File Control Block (FCB) por arquivo contém vários detalhes sobre os arquivos 11.7

8 Um Bloco de Controle de Arquivo Típico 11.8

9 Estrutura de Sistemas de Arquivos na memória Informações na memória são usadas: para o gerenciamento do sistema de arquivos e para melhoria do desempenho via técnica de cache Esses dados são carregados no momento da montagem e descartados na desmontagem O sistema cria uma tabela armazenando as montagens de sistema de arquivos, os pontos de montagem, os tipos de sistemas de arquivos As figuras a seguir ilustram as estruturas de sistemas de arquivos necessárias e fornecidas pelo sistema operacional Figura 12-3(a) refere a abertura de um arquivo. Figura 12-3(b) refere a leitura de um arquivo. 11.9

10 Estrutura de Sistemas de Arquivos na memória 11.10

11 Sistemas de Arquivos Virtual Sistemas de Arquivos Virtual (Virtual File Systems - VFS) fornece uma forma orientada a objetos de implementar sistemas de arquivos. VFS permite que a mesma interface de chamada de sistemas (a API) seja utilizada para diferentes tipos de sistemas de arquivos. A API é da interface do VFS, ao invés de um tipo específico de sistemas de arquivos

12 Visão Esquemática de um Sistema de Arquivos Virtual 11.12

13 Implementação de Diretório Lista Linear de nomes de arquivos com ponteiros para os blocos de dados Simples de programar Execução lenta Tabela Hash lista linear com estruturas de dados hash. Diminui o tempo de procura no diretório colisões situações nas quais dois nome de arquivos obtém a mesma localização Tamanho fixo criação de uma função hash diferente ao aumentar o tamanho da tabela 11.13

14 Métodos de Alocação Um método de alocação indica como os blocos de disco são alocados aos arquivos: Alocação Contígua Alocação Encadeada Alocação Indexada 11.14

15 Alocação Contígua Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos contíguos no disco Simples somente é necessário armazenar a localização inicial (número do bloco) e o tamanho do arquivo (quantidade de blocos) Acesso Direto (randômico) Perda de Espaço (problema da alocação dinâmica) Arquivos não podem crescer 11.15

16 Exemplo de Alocação Contígua 11.16

17 Sistema Baseado em Extensão Em Inglês Extent-Based Systems Muitos sistemas de arquivos novos (Por exemplo o Sistema de Arquivos Veritas) usam um esquema de alocação contígua modificado Sistemas de Arquivos baseados em extensão alocam blocos de disco em extents (extensões) Um extent é um bloco contíguo no disco Extensões são alocadas em espaço contíguo Um arquivo consiste de uma ou mais extensões Registro da localização dos blocos de um arquivo: Uma locação Uma contagem de blocos Um link para o primeiro bloco da próxima extensão 11.17

18 Alocação Encadeada Cada arquivo é uma lista encadeada de blocos em disco: blocos podem ser espalhados em qualquer lugar do disco. bloco = ponteiro Simples necessita somente do endereço inicial Sistema de Gerenciamento de Espaço Livre sem perda de espaço Sem acesso direto (randômico) Mapeamento Espaço exigido pelos ponteiros 11.18

19 Exemplo de Alocação Encadeada 11.19

20 File-Allocation Table - FAT 11.20

21 Alocação Indexada (em Tabela) Juntar todos os ponteiros em uma tabela de índices (index block). Também chamados de Inodes ou Nós-Índices Visão Lógica. index table 11.21

22 Examplo de Alocação Indexada 11.22

23 Alocação Indexada (Cont.) Necessita de Tabela de Índices Acesso direto (randômico) Acesso dinâmico sem fragmentação externa, mas com a sobrecarga da tabela de índices. Mapeamento de endereço lógico para físico em um arquivo de tamanho máximo de 256k palavras e tamanho de bloco de 512 palavras. Somente é necessário um bloco para a tabela de índices 11.23

24 Alocação Indexada Mapeamento (Cont.)... Tabela de índices externa Tabela de índices arquivo

25 Esquema Combinado: UNIX (4K bytes por bloco) 11.25

26 Gerenciamento do Espaço Livre Vetor ou mapa de Bits (n blocos) n-1 { bit [i]= 0 bloco [i]livre 1 bloco [i]ocupado Cálculo do número do Bloco (número de bits por palavra) * (número de palavras com valor 0) + deslocamento do primeiro bit

27 Gerenciamento do Espaço Livre (Cont.) Vetor de bits requer espaço extra. Exemplo: tamanho do bloco = 212 bytes tamanho do disco = 230 bytes (1 gigabyte) n = 230/212 = 218 bits (or 32K bytes) Fácil para manter arquivos contíguos Lista encadeada (Lista de blocos livres) Difícil manter alocação contígua Sem desperdício de espaço Agrupamento Contagem 11.27

28 Lista Encadeada de Espaço Livre no Disco 11.28

29 Eficiência e Desempenho Eficiência depende de: Alocação de disco e algoritmos de diretório Tipos de dados mantidos na entrada do arquivo no diretório Desempenho cache de disco seção separada de memória principal para blocos frequentemente usados Liberação antecipada (free-behind) e leitura antecipada (read-ahead) técnicas para otimizar o acesso sequencial Aumentar o desempenho do PC dedicando partes da memória como discos virtuais (RAM disks)

30 Cache de Páginas Um cache de páginas armazena páginas ao invés de blocos de disco usando técnicas de memória virtual E/S mapeado em memória usa cache de página Rotina de E/S através do sistema de arquivos usa o cache de buffer (do Disco) Isso leva a figura 11.30

31 Cache de Buffer Unificado Um cache de buffer unificado usa o mesmo cache de páginas para armazenar páginas mapeadas na memória e E/S ao sistema de arquivos padrão 11.31

32 E/S com um Cache de Buffer Unificado 11.32

33 Recuperação Teste de Consistência comparar dados nas estruturas de diretórios com blocos de dados no disco, e tentar consertar as inconsistências. Usar programas de sistemas para criar cópias de segurança (back up) do disco para outros dispositivos de armazenamento (disquete, disco magnético). Recuperar arquivos ou discos perdidos restaurando dados do backup

34 Sistemas de Arquivos Baseados em Registro de Operações Sistemas de arquivos com Estrutura de Registro de Operações - Log (ou journaling) registram cada atualização no sistema de arquivos como uma transação Todas as transações são escritas em um registro de operações Uma transação é considerada encerrada com sucesso (commit) uma vez que é gravada no registro de operações Entretanto, o sistema de arquivos pode não ter sido atualizado ainda As transações do registro de operações são gravadas de forma assíncrona no sistema de arquivos Quando o sistema de arquivos é modificado, a transação é removida do registro de operações Se o sistema de arquivos trava, todas as transações restantes no log precisam ainda ser realizadas 11.34

35 Fim do Capítulo 11