Sistemas Operativos: Ficheiros

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1 Sistemas Operativos: Ficheiros Pedro F. Souto May 18, 2012

2 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

3 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

4 Ficheiros Em comparação com memória principal, o disco: tem muito maior capacidade (o seu custo unitário é mais baixo); permite que o tempo de vida dos dados seja independente do do processo que os criou; permite a partilha de dados (hoje mais simples). Contudo o acesso direto ao disco não é simples: um ficheiro fornece uma abstração dos dados no disco mais fácil de usar.

5 Estrutura dum Ficheiro Ficheiros podem abstrair o espaço num disco de várias formas: 1 Byte 1 Record Ant Fox Pig Cat Cow Dog Goat Lion Owl Pony Rat Worm Hen Ibis Lamb (a) (b) (c) como uma sequência de bytes (habitual em SO de uso genérico); como uma sequência de registos (comum há quase 50 anos); como uma árvore (apropriada para ordenação e.g. mainframes).

6 Estrutura dum Ficheiro em Unix Em Unix, um ficheiro é uma sequência de bytes. Cabe às aplicações definirem a estrutura que bem entenderem: Evita impôr restrições desnecessárias aos utilizadores Magic # Text size Data size Sym. Tbl. size Entry point Flags Text Header Object module Header Object module Module name Date Owner Perm. Size Data Symbol Tbl. Header Object module

7 Tipos de Ficheiros em Unix Unix suporta diferentes tipos de ficheiros: ficheiros; texto (ASCII ou outro código, p.ex. UTF-8) binários (não texto não legíveis) diretórios; dispositivos de entrada/saída (/dev/): character special file special file A chamada ao sistema mknod() permite criar este tipo de ficheiro. mecanismos para comunicação entre processos: FIFO special file Unix domain sockets São criados usando as chamadas ao sistema mkfifo() e socket(), respetivamente.

8 Nomes de Ficheiros Ficheiros são identificados por nomes: tipicamente, strings alfanuméricas; contribui para a abstração do disco normalmente, o SO estabelece um comprimento máximo Unix: distingue letras maiúsculas das minúsculas; não conhece extensões (parte dum nome a seguir a um. (ponto)) alguns programas requerem extensões específicas: p.ex. gcc usa a extensão dos ficheiros de entrada para determinar o tipo de processamento necessário.

9 Outros Atributos (possíveis) dum Ficheiro Um SO guarda outra informação relativa a um ficheiro, além do seu nome e do seu conteúdo Tipo se o sistema de ficheiros suportar diferentes tipos; Owner o dono da informação no ficheiro; Proteção quem pode lêr, escrever, executar; Tamanho do ficheiro; Datas de criação, de acesso ou modificação: um ficheiro código fonte modificado depois do ficheiro objeto correspondente, deverá ser recompilado. Outros atributos possíveis, mas menos comuns: Password para acesso ao ficheiro Flags bits que controlam ou permitem uma dads propriedade, p.ex. hidden flag, system flag, lock flag, etc

10 Padrões de Acesso a Ficheiros Sequencial (fita magnética) head bytes do ficheiro acedidos por ordem p.ex., leitura/escrita de ficheiros por um compilador Direto (random) acesso a qualquer byte/registo do ficheiro sem ter que aceder aos que o precedem nem todos os dispositivos de E/S suportam este tipo de acesso: por exemplo, porta série. p.ex. leitura duma mensagem dum ficheiro de Por chave acesso a um registo com um dado valor (memória associativa) comum em bases de dados pouco comum em sistemas de ficheiros actuais

11 Operações sobre Ficheiros Operação Chamada ao Sistema em Unix Criar open() (creat() obsoleta) Eliminar Operação sobre diretórios (adiante) Lêr read() Escrever write() Reposicionar cabeça lseek() Lêr atributos fstat(), lstat(), stat() Alterar atributos chmod(), chown()... Mapear na Memória mmap(), munmap Em Unix: tem-se que invocar open() antes de aceder a um ficheiro; O SO executa várias acções para tornar as operações subsequentes mais rápidas deve-se invocar close() quando não se pretende aceder mais ao ficheiro. Permite que o SO liberte recursos e transfira dados para o disco.

12 Chamadas ao Sistema sobre Ficheiros: exemplo /* File display program. Minimal error checking */ int main(int argc, char *argv[]) { int in_fd, rd_cnt, wr_cnt; char buf[buf_size]; if (argc!= 2) exit(1); /* syntax error */ in_fd = open(argv[1], O_RDONLY); /* open source file */ if (in_fd < 0 ) exit(2); /* error in open */ while (TRUE) { /* loop until done, or an error */ rd_cnt = read(in_fd, buf, BUF_SIZE); /* read from source */ if (rd_cnt <= 0) break; /* end of file, or error */ wr_cnt = write(stdout_fileno, buf, rd_cnt); /* write if (wr_cnt < 0) exit(4); /* error writing */ } close( in_fd); /* close files */ if( rd_cnt == 0 ) /* no error on last read * exit(0); else /* error on last read */ exit(5); } write() não garante que o SO escreve todos os bytes.

13 Mapeamento de Ficheiros em Memória (1/3) Tal como noutros acessos, há que invocar open(), primeiro. Para mapear o ficheiro na memória, usa-se mmap(): Process Address Space File Subsequentes acessos à região de memória em que o ficheiro foi mapeado, são acessos ao ficheiro. munmap() desfaz a ação de mmap(), pelo que posteriores acessos àquela região de memória poderão ser ilegais.

14 Mapeamento de Ficheiros em Memória (2/3) void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); mmap() mapeia apenas o ficheiro na memória: As páginas são trazidas pelo sistema de MV; Uma página modificada expulsa pelo sistema de MV, é escrita no ficheiro. mmap() permite a partilha de memória entre processos: Atenção aos endereços. int munmap(void *start, size_t length);

15 Mapeamento de Ficheiros em Memória (3/3) Problemas Qual o comprimento dum ficheiro após alterações? O SO consegue saber facilmente as páginas alteradas, mas não é fácil saber qual é o último byte do ficheiro. Modificações num ficheiro mapeado em memória podem não ser visíveis imediatamente em outros ficheiros que o acedam de forma convencional As modificações só são escritas para o disco quando a página correspondente é expulsa da memória. E se o ficheiro fôr maior do que o tamanho máximo dum segmento, ou do espaço de endereçamento virtual? Os argumento length e offset permitem o mapeamento parcial, mas não é tão conveniente.

16 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

17 Diretórios A associação entre ficheiros e a respetiva localização no disco é feita através de diretórios: Directory Files F1 F2 F3 F4 F5 Quer os ficheiros quer os diretórios residem no disco: Em Unix, os diretórios são um tipo especial de ficheiros.

18 Diretórios Planos Há um único diretório: Root directory A A B C As letras indicam os donos do ficheiro correspondente. Todos os ficheiros pertencem ao mesmo diretório: + Simplicidade de implementação. - Conflitos de nomes são inevitáveis. Essencialmente, esta solução não escala, mas pode ser uma solução para um sistema embebido.

19 Diretórios Estruturados em Árvore Quase todos os sistemas de ficheiros suportam uma hierarquia de diretórios: bin dev usr etc var bin emacs O uso duma àrvore permite: evitar conflitos de nomes; agrupar ficheiros de alguma forma relacionados; resolver nomes duma forma eficiente. Nome (absoluto) inclui todos os componentes desde a raiz ( ) até ao ficheiro/diretório, separados por /. P.ex.: /usr/bin/emacs

20 Diretório Corrente (.) e Nomes de Ficheiros Problema Os nomes (pathnames) absolutos podem ser demasiado compridos e pouco convenientes Solução Cada processo está associado a um diretório corrente (current/working diretory), que pode variar ao longo da sua vida (chdir()) Nome relativo inclui todos os componentes desde o diretório corrente até ao ficheiro/diretório. P.ex.: bin/emacs. Nomes começando com um separador são absolutos Em Unix, chroot() permite especificar o diretório raiz dum processo usado para controlo de acesso. Componentes com significado especial:. representa o diretório corrente;.. representa o diretório pai.

21 Diretórios como Grafos Acíclicos Frequentemente, é conveniente poder atribuir nomes diferentes ao mesmo ficheiro: o grafo resultante deixa de ser uma árvore: Root directory A B C A B B B C C B C C? C C C Shared file Unix usa o conceito de link (referência) Hard Links mapeiam nomes em (identificadores de) ficheiros Soft Links mapeiam nomes em outros nomes

22 Montagem de Sistemas de Ficheiros Um sistema de ficheiros não ocupa mais de um disco. Unix permite enxertar (mounting) sistemas de ficheiros: o nome dos ficheiros é independente do dispositivo que os contém. Hard disk / Diskette / Hard disk / x y z a b a b x y z c d c d p q r q q r Este mecanismo é extremamente flexível, permite aceder a sistemas de ficheiros: em suportes removíveis, p.ex., USB pens; remotos, p.ex. Network File System (NFS).

23 Operações sobre Diretórios Operação Criar um diretório Remover um diretório Mudar o diretório corrente Mudar o diretório raiz Ler elementos dum diretório Criar um ficheiro Criar um nome novo Criar um link simbólico Remover um ficheiro Alterar o nome dum ficheiro Chamada ao Sistema em Unix mkdir() rmdir() chdir() chroot() getdents() open() link() symlink() unlink() rename() A chamada ao sistema getdents() não é fácil de usar: é preferível usar funções da libc (man readdir).

24 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

25 Controlo de Acesso O controlo de acesso a ficheiros é essencial para proteger o sistema: Ficheiros contêm programas e dados. Em Unix, como quase tudo é um ficheiro, o controlo de acesso do sistema de ficheiros é ainda mais importante para a segurança do sistema. Um mecanismo básico para controlo de acesso são as Access Control Lists (ACL): A cada objecto associa-se uma Access Control List que especifica, para cada utilizador as operações que o utilizador pode realizar sobre esse objecto. Pressupõe que os utilizadores são autenticados I.e. que o sistema verifica que são quem dizem ser Normalmente, através de passwords

26 Uso de ACL para Proteger o Acesso a Ficheiros Process Owner A B C User space File F1 A: RW; B: A ACL F2 F3 A: R; B:RW; C:R B:RWX; C: RX Kernel space ACLs puras são pouco escaláveis exigem a manutenção de muita informação.

27 Aproximação às ACL adoptada em Unix (1/2) Um grupo é um conjunto de utilizadores (pessoas ou funções): um utilizador pode pertencer a vários grupos. Cada ficheiro (directório ou dispositivo de E/S) está associado a: um utilizador, o seu owner; um grupo. A cada ficheiro (... ) associa-se permissões, i.e. operações Ler (read) r Escrever (write) w Executar (execute) x que podem ser executadas sobre esse ficheiro, por: o owner; os membros do grupo; os restantes utilizadores. $ ls -l total rw-r--r-- 1 pedro pedro : configu drwxr-xr-x 47 pedro pedro :59 aulas lrwxrwxrwx 1 pedro pedro :10 Examples -> / [...]

28 Aproximação às ACL adoptada em Unix (2/2) Vantagem Representação compacta 9 bits para os bits de proteção alguns bits para os identificadores do utilizador e do grupo Desvantagem Pouco expressiva As operações são relativamente limitadas Outros SOs suportam uma lista mais alargada, p.ex. para eliminar ou acrescentar Só o administrador pode criar grupos Outros SOs permitem permitem associar a cada ficheiro uma ACL também

29 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

30 Objectivos e Condicionantes da Implementação de SF Principais objetivos Desempenho Discos são muito mais lentos do que o CPU ou mesmo memória DRAM Utilização da capacidade Discos nem sempre tiveram TB de capacidade. Fiabilidade Discos são relativamente frágeis. Utilizadores esperam que os dados no disco persistam. Condicionantes Tecnologia usada E SSDs? Padrões de utilização A maioria dos ficheiros tem apenas alguns KB. Uma parte significativa do espaço do disco é ocupada por alguns ficheiros muito grandes. Um número de acessos significativos é a ficheiros muito grandes Alguns ficheiros são acedidos sequencialmente, outros aleatoriamente

31 Implementação de Sistemas de Ficheiros Frequentemente, o disco está dividido em partições Alternativamente, discos/partições são agrupados em volumes Cada partição tem o seu sistema de ficheiros. Entire disk Partition table Disk partition MBR Boot Super Free space mgmt I-nodes Root dir Files and directories Master Boot Record (MBR) Primeiro setor dos discos num PC. Usado durante o arranque. Inclui a tabela de partições. Boot Block Primeiro bloco de cada partição. Contém código carregado pelo MBR e executado no arranque. Super Block Contém metadados do sistema de ficheiros

32 Implementação de Ficheiros: Tamanho dos Blocos Ficheiros consistem num conjunto de blocos de disco: Cada bloco é um conjunto de setores contíguos O número de setores é tipicamente uma potência de 2 Qual deve ser o tamanho dum bloco? Utilização do espaço em disco Quanto menor melhor Assume que o tamanho de cada ficheiro é 2 KB (mediana) Desempenho Quanto maior melhor Assume disco com B/track, tempo de rotação de 8.33 ms e seek time médio de 10 ms Data rate (KB/sec) Disk space utilization 256 Data rate 512 1K 2K Block size (bytes) 4K 8K 16K Disk space utilization (percent)

33 Implementação de Ficheiros: Blocos Contíguos Uma possibilidade é guardar cada ficheiro no n o necessário de blocos contíguos: File A (4 s) File C (6 s) File E (12 s) File G (3 s) File B (3 s) File D (5 s) (a) File F (6 s) (File A) (File C) (File E) (File G) Vantagens File B 5 Free s 6 Free s (b) Overhead reduzido Acesso sequencial muito rápido Desvantagens E se o ficheiro tiver que crescer? Fragmentação do disco. Não é problema em sistemas de ficheiros do tipo write-once, p.ex. CD-ROMs, DVDs, etc.

34 Implementação de Ficheiros: Listas Ligadas File 0 File 1 File A File 2 File 3 0 File 4 Physical File B 0 File 0 File 1 File 2 File 3 Physical Elimina a fragmentação externa Mas ainda sofre de fragmentação interna O acesso não sequencial é pouco eficiente O espaço disponível em cada bloco deixa de ser uma potência de 2 O link ocupa alguns bytes.

35 Lista Ligada Usando uma Tabela em Memória Ambos os problemas podem ser resolvidos mantendo os links numa tabela em memória (File Allocation Table (FAT)) Physical File 0 4 Physical File 0 File 1 File A File 2 File File 1 File B File File 3 0 File 4 Physical File A starts here File B starts here Unused O problema é que esta tabela ocupa bastante espaço em memória (um link por bloco) Em princípio, a FAT poderia estar em memória virtual paginada; Mas nesse caso, o acesso a um ficheiro poderá exigir acessos ao disco adicionais. Tal como os blocos, os links podem estar afastados uns dos outros.

36 Index nodes (Inodes) Ideia agregar as referências para os blocos com os dados juntamente com outros metadados dum ficheiro num inode File Attributes Address of disk 0 Address of disk 1 Address of disk 2 Address of disk 3 Address of disk 4 Address of disk 5 Address of disk 6 Address of disk 7 Address of of pointers Disk containing additional disk addresses O bloco apenas com referências para os blocos de dados, permite reduzir o overhead para ficheiros pequenos Tipicamente os inodes, residem em blocos do disco bem determinados: Em Unix, o SO cria-os quando formata o disco. Outra vantagem o acesso não sequencial é mais eficiente

37 Unix Inodes Os apontadores podem ocupar bastante espaço: Embora muito mais pequenos do que um bloco/setor, o seu número pode ser muito elevado. Para uma melhor utilização do espaço no disco, Unix usa vários níveis de indireção: Disk addresses I-node Attributes Single indirect Double indirect Triple indirect Addresses of data s O i-node contém o endereço dos 10 primeiros blocos.

38 Implementação de Diretórios em Unix Diretórios são implementados como um ficheiro Diretórios mapeiam o nome de ficheiros na sua localização no disco Mas o SO conhece a sua estrutura: games mail news work attributes attributes attributes attributes games mail news work (a) Cada elemento dum diretório pode: a) ou conter os atributos do ficheiro correspondente; b) ou a localização duma estrutura de dados contendo esses atributos (em Unix, os inodes): facilita a partilha de ficheiros. (b) Data structure containing the attributes

39 Resolução dum Nome É o processo de determinar o ficheiro a que esse nome se refere. Este processo consiste na análise de cada um dos componentes do nome, da esquerda para a direita: independentemente do nome ser absoluto ou relativo. Para que o SO resolva um nome, o processo tem que ter as necessárias permissões de acesso a cada um dos diretórios atravessados. A resolução de nomes pode ter um custo muito elevado, pelo que o SO pode manter uma cache de nomes resolvidos. A cache mapeia o nome dum ficheiro nos seus atributos

40 Resolução de Nomes em Unix A resolução começa com a leitura do i-node do diretório raiz O i-node 2, por razões históricas Aponta para os blocos de dados com os elementos (entries) Em seguida, pesquisa-se o primeiro componente neste diretório, e o processo prossegue como ilustrado para /usr/ast/mbox: Root directory bin dev lib etc usr tmp Looking up usr yields i-node 6 I-node 6 is for /usr Mode size times 132 I-node 6 says that /usr is in 132 Block 132 is /usr directory dick erik jim ast bal /usr/ast is i-node 26 I-node 26 is for /usr/ast Mode size times 406 I-node 26 says that /usr/ast is in 406 Block 406 is /usr/ast directory grants books mbox minix src /usr/ast/mbox is i-node 60

41 Implementação de Hard Links O elemento dum diretório correspondente a um hard link contém apenas o i-node do ficheiro Só podem apontar para ficheiros no mesmo sistema de ficheiros Para evitar dangling links, cada ficheiro tem um atributo que conta o número de nomes (reference count): C's directory B's directory C's directory B's directory Owner = C Count = 1 Owner = C Count = 2 Owner = C Count = 1 (a) (b) (c) Normalmente, os sistemas de ficheiros não suportam a criação de hard links para diretórios: Introduzem a possibilidade de criar estruturas do sistema de ficheiros patológicas, a menor das quais é a introdução de ciclos.

42 Implementação de Symbolic/Soft Links Symbolic links são implementados como ficheiros especiais O seu conteúdo é um pathname do ficheiro referido Cada symbolic link requer um i-node Não incrementa o reference count do ficheiro referido Podem conduzir a dangling pointers Na resolução dum symbolic link, o resto do pathname por processar é acrescentado ao seu conteúdo /home/pedro/examples/ubuntu_free_culture_showcase/josh Woodward - Swansong.ogg I-node 3284 for /home/pedro Mode size times Examples I-node for /home/pedro/examples21986 Mode size times /usr/share/example-content /usr/share/example-content/ubuntu_free_culture_showcase/josh Woodward - Swansong.ogg Symbolic links são mais flexíveis do que hard links. Podem apontar para: Diretórios Ficheiros em outros sistemas de ficheiros

43 Gestão do Espaço no Disco Como manter informação sobre os blocos livres? Free disk s: 16, 17, A 1-KB disk can hold bit disk numbers (a) A bitmap Cada bloco da lista inclui um vetor de n o de blocos livres, mais uma referência para o bloco seguinte na lista. Com o sistema de ficheiros quase cheio, listas ocupam menos espaço do que bitmaps. Bitmaps facilitam a alocação de blocos contíguos Praticamente todos os sistemas de ficheiros usam bitmaps (b)

44 Sumário Ficheiros Diretórios Controlo de Acesso Implementação de Sistemas de Ficheiros Leitura Adicional

45 Leitura Adicional Sistemas Operativos Secção 9.1: Organização do Sistema de Ficheiros Secção 9.2: Estrutura Interna dos Sistemas de Armazenamento Excepto Subsecção Secção 9.3: Linux Até Subsecção (inclusive) Modern Operating Systems, 2nd. Ed. Secções 6.1 e 6.2: Files e Directories Secção 6.3: File System Implementation Excepto Subsecções e Subsecção 6.4.5: The UNIX V7 File System Subsecção 9.6: Protection Mechanisms Excepto Subsecção 9.6.3

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