Sistemas de Arquivos. André Luiz da Costa Carvalho

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1 Sistemas de Arquivos André Luiz da Costa Carvalho

2 Sistemas de arquivos Sistema de arquivos é o nome que se dá a implementação da organização de dados em discos. Vai desde o acesso a baixo nível até a interface para o S.O. Cada arquivo possui dados e meta- dados. Dados são o conteúdo em si Meta- dados são os atributos e informações de controle

3 Arquitetura Geral

4 Blocos 4ísicos e lógicos Disco pode ser visto como um conjunto de blocos de tamanho fixo. 512 bytes. Blocos Psicos podem ser muitos. HD de 250GB tem 500 milhões de blocos Psicos. Blocos lógicos ou clusters Grupos de 2ˆn blocos Psicos consecuvvos. 4K,8K,32K. Maior parte das operações e estruturas de disco são baseadas em blocos lógicos. Unidade mínima de alocação. Cada arquivo ou diretório ocupa no mínimo um bloco lógico

5 Blocos lógicos Número de blocos Psicos em cada lógico é definido pelo S.O. na formatação. Parâmetros: Tamanho da parvção, Vpo de sistema de arquivos, tamanho das páginas na RAM. Blocos lógicos pequenos = muitos blocos para gerenciar e menos bytes transferidos a cada leitura/escrita. Blocos lógicos grandes = fragmentação interna. Um arquivo com 200 bytes em um sistema com blocos lógicos de 32K ocupará todos os 32K. Diminui espaço úvl do disco. Alguns sistemas de arquivos permitem alocação de pedaços de blocos lógicos. ReiserFS

6 Alocação Física DisposiVvo de armazenamento é visto como um grande vetor de blocos lógicos de mesmo tamanho. O problema da alocação é dispor o conteúdo e os meta- dados dos arquivos nestes blocos. Arquivos podem precisar de vários blocos. Milhões. Acesso deve ser rápido e confiável

7 Alocação de arquivos Bloco de controle de arquivo (FCB) Estrutura que contém os meta- dados de um arquivo e sua localização no disco. Exemplo:FAT (File AllocaVon Table) FCB pequeno, ficando na entrada correspondente ao arquivo na tabela de diretório. Sistemas mais complexos usam estruturas separadas. Master File Table (NTFS) i- nodes (EXT)

8 Alocação de arquivos 3 estrategias: Conjgua, encadeada e indexada. Válidas tanto para arquivos quanto para diretórios. Três critérios de análise nesta aula: Rapidez Sequencial e aleatória. Robustez ante a erros. Bad blocks, por ex. Flexibilidade Na criação, modificação e exclusão de arquivos e diretórios

9 Alocação Contígua Dados são dispostos de forma ordenada sobre um conjunto de blocos consecuvvos. Sem buracos, logo sem fragmentos. Localização de um arquivo é dada pelo seu endereço

10 Exemplo

11 Alocação contígua Blocos se localizam em sequência no disco, logo acesso sequencial é rapido. Poucas movimentações de cabeça. Acesso aleatório (direto) a posições específicas também é rápido. Posição de cada byte é facilmente calculável a parvr da posição inicial.

12 Análise Boa robustez a falhas. Em caso de bloco ilegível, só o dado daquele bloco é perdido. Inflexível. Tamanho final do arquivo deve ser sabida de antemão. Fragmentação Externa. Similar a alocação convgua de memória. InúVl? Não. CD- ROM

13 Alocação Encadeada ObjeVvo de ser mais flexível que a conjgua e com menos fragmentação externa. Cada bloco contém os dados e um ponteiro para o próximo bloco. Lista encadeada. Blocos não precisam mais ficar lado a lado. Arquivos podem ser criados sem se saber seu tamanho.

14 Exemplo

15 Alocação Encadeada Acesso sequencial simples e rápido. Cada bloco lido possui um ponteiro ao próximo a ser lido. Caso blocos estejam muito espalhados, a eficiência pode ser prejudicada. Acesso aleatório é muito prejudicado. Única forma de saber onde se encontra um bloco específico é ao se percorrer todos os blocos da lista do início até ele.

16 Alocação encadeada Pouca robustez. Se um nó é corrompido, se perde a posição de todos os blocos dali em diante. Muito flexível. Arquivos podem ser aumentados e diminuidos rapidamente. Qualquer bloco livre pode ser uvlizado a qualquer momento por qualquer momento. LenVdão nos acessos aleatórios e facilidade de corrupção advém do fato dos ponteiros estarem nos próprios blocos.

17 Tabela de Alocação de Arquivos Para resolver estes problemas, ponteiros podem ser armazenados separados dos dados, em uma tabela. File AllocaVon Table (FAT). Base do FAT32, por exemplo. Início da parvção possui uma tabela com uma entrada para cada bloco lógico. Com o ponteiro para o próximo. Valores especiais para o bloco final de cada arquivo (eof), blocos livres, defeituosos (bad blocks) e reservados. Tabela fica em cache na memória Melhora o desempenho.

18 Exemplo

19 Alocação Indexada Ao invés de uvlizar uma lista encadeada, uvliza um vetor contendo o índice de blocos do arquivo. Cada entrada corresponde a um bloco do arquivo e mostra em qual bloco lógico ele está. Índice de blocos de cada arquivo do sistema é gravado em uma estrutura chamade de index node ou i- node. O i- node de cada arquivo possui, além do índice de blocos, os principais atributos do mesmo, como permissões, datas, tamanho e etc. Todos os i- nodes são gravados em uma tabela, em uma área reservada do disco durante a formatação.

20 Exemplo

21 Alocação indexada I- nodes tem tamanho fixo. É um vetor Número de entradas limitada. Ex: Blocos de 4K = 64 entradas = max 256K Tabela de i- nodes tem tamanho fixo, determinado durante a formatação. Limita o número máximo de arquivos ou diretórios que podem ser criados. Um número muito grande de arquivos vazios podem levar o HD a impedir a criação de novos arquivos, mesmo com blocos livres.

22 Comofas/ Entradas de i- node podem ser transformadas em ponteiros indiretos. Para blocos de dados, que podem conter dados ou outros ponteiros. Árvore. Exemplo: EXT2/3 12 ponteiros diretos para blocos de dados. Um ponteiro indireto (que aponta para um bloco que contém ponteiros para blocos de dados) Um ponteiro indireto duplo (que aponta para um bloco que contém ponteiros para blocos de ponteiros). Um ponteiro indireto triplo!

23 Exemplo Blocos de 4K e ponteiros de 4 bytes. Cada bloco de dados teria 1024 ponteiros.

24 Exemplo

25 I- nodes Parece complexo, porém o acesso é simples.

26 Análise Rápida tanto para acesso direto quanto para sequenciais. Blocos no final de arquivos muito grandes serão mais lentos que os iniciais. Defeitos em i- node ou blocos de ponteiros podem danificar grandes partes de um arquivo. Defeitos em blocos de dados não afetam outros. Redundância de i- nodes, ponteiros e meta- dados. Tão flexível quanto a alocação encadeada. Porém tamanho de arquivo é limitado, assim como número máximo de arquivos da parvção.

27 Arquivos Esparsos Possibilidade dos i- nodes. Possuem áreas mapeadas e não mapeadas. Mapeadas possuem ponteiros que apontam, não mapeadas possuem nulo. Áreas não mapeadas não ocupam espaço Psico no HD. Leituras em áreas não mapeadas retornam zeros. Áreas não mapeadas serão alocadas quando forem gravadas. UVlidades: Gerentes de banco de dados. Hashs e índices grandes, com grandes intervalos sem uso

28 Análise comparativa

29 Gerência de espaço livre Além da informação sobre quais blocos estão sendo uvlizados, gerência de arquivo deve saber quais blocos estão livres. Técnicas: Mapa de bits Lista de Blocos livres.

30 Mapa de Bits Blocos no início da parvção são reservados para manter um mapa de bits. Cada bit representa um bloco lógico. 1 se Vver livre, 0 se esvver ocupado. Vantagem: Compacta e simples de implementar. Disco de 80G, blocos de 4K, 640 blocos seriam necessários (pouco mais de 2 megas)

31 Lista de Blocos Livres Varia de acordo com a estratégia de alocação. Alocação Encadeada: Cada bloco livre possui um ponteiro para o próximo livre. Lenta, pois é uma leitura para cada bloco livre. FAT: Blocos livres tem uma marcação (flag) na tabela. I- nodes: cada bloco livre possui ponteiros para outros blocos livres (com o úlvmo ponteiro sendo um novo bloco com mais ponteiros. Vários blocos livres são acessados a cada acesso. Tabela de extensão de blocos livres, contendo a localização e o tamanho de um conjunto de blocos livres consecuvvos.

32 Journaling Um problema sério em sistemas de arquivo é manter a consistência durante um crash, como uma queda de energia. Ex: No ext3, uma deleção possui 2 passos, sem ordem: 1 Remover arquivo da lista do diretório. 2 Marcar os blocos do arquivo como livres no bitmap. Se houver um crash entre os 2 passos, o sistema de arquivos estará corrompido. Se entre 1 e 2, o espaço ocupado pelo arquivo não será liberado. Se entre 2 e 1, Um arquivo que ainda estará lá, terá seu conteúdo possivelmente apagado.

33 Journaling Sistemas de arquivo com journaling gravam em um log tudo que irão fazer no sistema de arquivos antes de faze- lo. Ao terminar qualquer instrução, o sucesso da mesma é gravada no journal Depois de um crash, basta verificar as úlvmas instruções gravadas no journal, e finalizar qualquer uma que não esteja marcada como sucesso. Antes, para corrigir um sistemas de arquivo ext2, uma passagem completa Vnha que ser feita por todos arquivos, para achar possíveis i- nodes e mapas de espaço livre que estejam desatualizados.

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