SOP - TADS Sistemas de Arquivos Cap 4 Tanenmbaum

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1 SOP - TADS Sistemas de Arquivos Cap 4 Tanenmbaum Prof. Ricardo José Pfitscher Material cedido por: Prof. Rafael Rodrigues Obelheiro Prof. Maurício Aronne Pillon Cronograma Introdução Arquivos Diretórios Esquemas do sistema de arquivos 2/48 1

2 Introdução Porque usar arquivos? Em muitas situações é necessário armazenar os dados além do período de vida que o processo usa Alguns conjuntos de dados, simplesmente não cabem na memória principal Permitir que múltiplos processos acessem informações de forma concorrente Tornar a informação independente dos processos O armazenamento persistente de dados em um SO é responsabilidade do sistema de arquivos Arquivo é a unidade de armazenamento Unidade lógica de informação 3 Introdução Aspectos de projeto O sistema de arquivos é responsável por uma série de aspectos Como os arquivos são nomeados Como os arquivos são estruturados internamente Tipos de arquivos suportados Métodos de acesso a arquivos Quais atributos são associados a um arquivo Quais operações são suportadas Organização em diretórios Implementação de arquivos e diretórios Gerenciamento do espaço em disco 4 2

3 Nomeação de arquivos O uso de nomeação permite que os usuários acessem as informações sem saber exatamente onde elas estão no disco Cilindro, trilha, setor... Alguns aspectos devem ser considerados: Qual o tamanho máximo suportado para o nome do arquivo Quais caracteres são permitidos, existe sensibilidade ao caso Extensões dos arquivos São interpretadas pelo SO? São interpretadas pelas aplicações? São mera conveniência para o usuário se encontrar? 5 Nomeação de arquivos Extensões típicas (comuns) de arquivos 6 3

4 Estrutura de arquivos Indica como os arquivos são estruturados externamente Sequência de bytes: O SO não sabe o que o arquivo contém, ele só enxerga uma sequência de bytes, os significados são dados a nível de usuário UNIX e Windows utilizam esta forma de estruturação Registros de tamanho fixo: as operações (leitura e escrita) operam sobre registros estruturados Um arquivo é uma sequência de registros Árvore: cada registro do arquivo possui uma chave, que é usada para indexação usado em SOs que suportam BD de grande porte 7 Estrutura de arquivos Em (c) poderia ser feita uma referência a uma chave dentro do arquivo, sem saber exatamente onde ela está 8 no arquivo 4

5 Tipos de arquivos Muitos SO dão suporte a muitos tipos de arquivos Arquivos regulares: Contêm dados de usuários Diretórios: Arquivos do sistema que mantêm a estrutura do sistema de arquivos Arquivos especiais de caracteres: Relacionados a E/S, usados para acessar os dispositivos orientados a caractere Arquivos especiais de blocos: usados para acessar dispositivos de E/S orientados a blocos No UNIX: arquivos são a interface aos dispositivos de E/S para os usuários O uso dos tipos de arquivos varia de SO para SO 9 Acesso a arquivos Formas de leitura aos arquivos: Sequencial: o arquivo precisa ser lido/escrito em sequência para ler o byte 1 milhão é preciso ler os anteriores Ex.: Único modo de acesso para fitas magnéticas Aleatório: bytes/registros podem ser acessados em qualquer ordem A operação de E/S pode especificar a posição ou pode haver uma operação específica de posicionamento (ex. chaves) Este é o modo mais comum de acesso a arquivos 10 5

6 Atributos de arquivos 11 Operações com arquivos Create Cria sem dados Delete Remover para liberar espaço Open Antes de usar, o processo deve abri-lo, colocar na memória os principais atributos e a lista de endereços do disco Close Fecha o arquivo, libera espaço na memória Read Leitura de dados do arquivo Write Escrita de dados no arquivo (posição atual) Append Escreve dados ao final do arquivo Seek Muda a posição do ponteiro no arquivo, para fazer leituras e escritas Get attributes Leitura de atributos Set attributes Mudança de atributos Rename Altera o nome do arquivo 12 6

7 Arquivos mapeados em memória Operações de acessos a arquivos são mais complicadas que as de acesso a memória Muitos sistemas suportam a noção de arquivos mapeados em memória Os acessos a uma determinada região de memória são equivalentes a acessos ao arquivo Muitas vezes é possível mapear apenas partes de um arquivo Evita problemas com arquivos maiores que o espaço de endereçamento do processo O que acontece quando um processo A mapeia um arquivo em memória e um processo B realiza uma leitura do modo tradicional? Modificações feitas por A só serão refletidas no arquivo quando a página correspondente for salva no disco 13 Diretórios Estruturas de diretórios Existem três formas básicas de organização: Diretório em nível único Um diretório contém todos os arquivos Caracterizado por: Simplicidade Rapidez na busca de arquivos e dados Dificuldades com colisão de nomes Diretório em dois níveis Cada usuário possuí seu diretório privado Dentro de cada diretório estão os arquivos Mesmas características do anterior Diretório em níveis hierárquicos Utiliza uma árvore de diretórios Facilita a organização dos arquivos 14 7

8 Diretórios Diretório em nível único A B C D 15 Diretórios Diretórios em dois níveis 16 8

9 Diretórios Diretórios hierárquicos 17 Diretórios Operações com diretórios Semelhante aos arquivos 1. Create 2. Delete 3. Opendir 4. Closedir 5. Readdir retorna a próxima entrada do diretório Um programador não precisa saber a estrutura do diretório 6. Rename 7. Link Cria uma nova entrada no diretório, apontando para algum arquivo 8. Unlink Apaga a entrada do diretório, se ele estiver somente em um, ele será apagado do sistema de arquivos 18 9

10 Esquema do sistema de arquivos Sistemas de arquivos são armazenados em discos Um disco contém uma ou mais partições: MBR (setor 0): controla a inicialização (boot) Localiza a partição ativa e carrega seu bloco de boot Tabela de partições: define o endereço inicial e o final de cada partição Estrutura de uma partição Bloco de boot: programa que carrega o SO contido na partição superbloco: parâmetros do sistema de arquivos Tamanho de bloco, tipo de SA Informações de gerenciamento Espaço livre, tabelas de alocação,... dados 19 Esquema do sistema de arquivos 20 10

11 Implementação de arquivos 21 Implementação de arquivos Como é alocado o espaço em disco para os arquivos? Alocação contígua Alocação por lista encadeada Alocação por lista encadeada com tabela na memória Alocação indexada (i-nodes) 22 11

12 Implementação de arquivos Alocação contígua (1/3) Arquivos são armazenados em blocos contíguos no disco Ex.: Um arquivo que precise de 10 blocos, vai usa-los de forma consecutiva no disco Vantagens Fácil de implementar Basta saber o bloco inicial e o número de blocos que ele ocupa Rapidez de acesso Para uma leitura basta ler o bloco diretamente, através de uma soma simples Desvantagens Fragmentação do disco com o tempo Semelhante a fragmentação em memória Solução: Compactação Muito usada em sistemas de arquivo somente leitura23 Ex.: CDs, DVDs,... Implementação de arquivos Alocação contígua (2/3) Alocação de Arquivos A-G 24 Fragmentação após saída de D e F 12

13 Implementação de arquivos Alocação contígua (3/3) 25 Implementação de arquivos Alocação por lista encadeada (1/3) Cada arquivo é uma lista encadeada de blocos de disco A primeira entrada de cada bloco é usada como um ponteiro para um próximo Desvantagem: O acesso aleatório Deve-se ler todos os blocos anteriores para chegar em um bloco determinado 26 13

14 Implementação de arquivos Alocação por lista encadeada (2/3) 27 Implementação de arquivos Alocação por lista encadeada (3/3) 28 14

15 Implementação de arquivos Lista encadeada com tabela na memória (1/3) Elimina as desvantagens da lista encadeada Acrescenta uma tabela de correspondência na memória FAT (File Allocation Table) O bloco todo fica disponível para dados Facilita o acesso aleatório Não precisa ler todos blocos, apenas correr pelas referências da tabela Desvantagem Toda a tabela deve esta na memória o tempo todo Para um disco de 20GB e blocos de 1KB» 20 milhões de entradas X 4 bytes (cada entrada) = 80 MB Guarda em disco uma cópia da tabela em memória 29 Implementação de arquivos Lista encadeada com tabela na memória (2/3) Quais os blocos ocupados por A e por B? A: 4,7,2,10,12 B: 6,3,11,

16 Implementação de arquivos Lista encadeada com tabela na memória (3/3) 31 Implementação de arquivos i-nodes (1/5) Alocação indexada É uma estrutura que representa um arquivo Contem o endereço dos blocos e o atributos Ocupa menos memória do que a tabela de alocação Apenas os i-nodes dos arquivos abertos precisam estar na memória Mecanismo empregado no UNIX 32 16

17 Implementação de arquivos i-nodes (2/5) 33 Implementação de arquivos i-nodes (3/5) 34 17

18 Implementação de arquivos i-nodes (4/5) Podemos fazer endereçamento indireto Possibilita aumentar o tamanho do arquivo 35 Implementação de arquivos i-nodes (5/5) Se existem 10 blocos diretos em um i-node, blocos de dados de 512 bytes e o endereço do bloco tem 32 bits, qual o tamanho máximo de um arquivo usando estrutura de i-nodes com até blocos indiretos triplos?

19 Implementação de diretórios 37 Implementação de diretórios A entrada de um diretório fornece as informações para encontrar um bloco de disco correspondente a um arquivo Endereço de todo arquivo (alocação contígua) Número do primeiro bloco (lista encadeada) Número do i-node Função do diretório é mapear o nome do arquivo à informação necessária para localiza-lo 38 19

20 Implementação de diretórios Duas formas: Projeto simples: Lista de entradas de tamanho fixo contendo o nome do arquivo e seus atributos Uma entrada por arquivo Usado no MS-DOS Projeto com I-nodes As entradas contêm o nome do arquivo e um ponteiro para o descritor com atributos 39 Implementação de diretórios a) Diretório simples Entradas de tamanho fixo Endereço de disco e atributos na entrada de diretório b) Cada entrada se refere a um I-node 40 20

21 Gerenciamento de espaço em disco Como alocar n bytes no disco? De forma consecutiva, usando uma área contígua de n bytes Dividindo os n bytes em blocos, não necessariamente contíguas O problema é semelhante a segmentação em memória O arquivo pode aumentar de tamanho, assim teria de ser movido para outro lugar no disco A solução de compactação é mais custosa em disco do que em memória 41 Gerenciamento de espaço em disco Tamanho do bloco Qual o tamanho de bloco é mais adequado? Blocos grandes tem maior desempenho, mas desperdiçam mais espaço Blocos pequenos têm pior desempenho (muitos blocos a serem escritos/lidos), mas aproveitam melhor o espaço Estudos mostram que o tamanho médio de um arquivo no UNIX é 2KB 42 21

22 Gerenciamento de espaço em disco Tamanho do bloco Arquivos de 2 Kbytes 43 Gerenciamento de espaço em disco Gerência de blocos livres 1 representa livre e 0 ocupado Lista encadeada de blocos livres 44 22

23 Exercícios [1/2] 1. O sistema operacional LQTW-2.0 trabalha com blocos de 4 Kbytes. Endereços de bloco ocupam 4 bytes. Esse sistema utiliza alocação indexada para localizar os arquivos no disco. Cada descritor de arquivo possui uma tabela com 16 endereços de blocos. Os primeiros 12 endereços são diretos (apontam para blocos de dados). Dois endereços são indiretos (apontam para blocos que contêm endereços de blocos de dados). Os dois últimos endereços são duplamente indiretos. Qual o tamanho máximo de um arquivo nesse sistema? 45 Exercícios [2/2] 2. O início de um mapa de bits do espaço livre parece-se com isto depois que a partição de disco é formatada pela primeira vez: (o primeiro bloco é usado pelo diretório-raiz). O sistema sempre busca por blocos livres a partir do bloco com o menor número; assim, depois de escrever um arquivo A, que usa seis blocos, o mapa de bits se parece com isto: Mostre o mapa de bits depois de cada uma das seguintes ações adicionais: (a) O arquivo B é escrito, usando cinco blocos. (b) O arquivo A é removido. (c) O arquivo C é escrito, usando oito blocos. (d) O arquivo B é removido

24 Bibliografia Andrew S. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos, 3a Edição. Capítulo 4.Pearson Prentice-Hall, Carlos A. Maziero: hp/so:livro_de_sistemas_operacionais 24

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