Sistema de Ficheiros

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1 Sistema de Ficheiros 1 Armazenamento de Informação de Longa Duração 1. Deve guardar grandes quantidades de dados 2. Informação guardada deve sobreviver à terminação dos processos 3. Múltiplos processos devem poder aceder à informação concurrentemente 2 1

2 Sistema de Ficheiros Solução: discos com ficheiros Processo devem poder ler e escrever Ficheiros são geridos pelo S.O. 3 Nomes de Ficheiros (1) UNIX vs Windows/MS-DOS Maiúsculas, minúsculas Uso de extensões 4 2

3 Nomes de Ficheiros (2) Extensões típicas. 5 Estrutura dos Ficheiros Três tipos de ficheiros sequência de bytes sequência de registos árvore 6 3

4 Tipos de Ficheiros (1) Regulares ASCII Binários Directorias Especiais de caracteres (UNIX) Especiais de blocos (UNIX) 7 Tipos de Ficheiros (2) (a) Ficheiro executável (b) Arquivo 8 4

5 Acesso a Ficheiros Acesso sequencial Ler todos os bytes/registos desde o ínicio Não pode andar a saltar, pode voltar ao ínicio ou andar para trás Conveniente no caso de tapes magnéticas Acesso aleatório bytes/registos lidos por qualquer ordem essencial para sistemas de base de dados ler pode ser mover file marker (seek), depois ler ou ler e depois mover file marker 9 Atributos de ficheiros Possíveis atributos de ficheiros 10 5

6 Operações nos ficheiros 1. Criar 2. Apagar 3. Abrir 4. Fechar 5. Ler 6. Escrever 7. Append 8. Seek 9. Obter atributos 10.Definir atributos 11.Renomear 11 Um Exemplo Usando Chamadas ao Sistema para Ficheiros (1/2) 12 6

7 Um Exemplo Usando Chamadas ao Sistema para Ficheiros (2/2) 13 Ficheiros Mapeados em Memória (a) Processo segmentado antes de se mapear o ficheiro no seu espaço de endereçamento (b) Processo depois de mapear ficheiro existente abc num segment criar novo segmento para xyz Como é implementado internamente? / Problemas? 14 7

8 Directorias Sistema com Um Nível de Directorias Um sistemas com apenas um nível de directorias Contém 4 ficheiros Pertencem a 3 pessoas diferentes, A, B, and C 15 Sistemas com Dois Níveis de Directorias Letras indicam donos das directorias e dos ficheiros Nalgumas situações os utilizadores necessitam de aceder a ficheiros fora das respectivas directorias. Exs.? Como? 16 8

9 Sistemas Hieráquicos de Directorias Um sistema hierárquicos de directorias 17 Nomes dos caminhos (1) Caminho absoluto Windows: \usr\ast\mailbox UNIX: /usr/ast/mailbox Caminho relativo Conceito de directoria actual Bibliotecas devem ter cuidado ao mudar a directoria actual, porquê? 18 9

10 Nomes dos caminhos (2) Uma árvore de directorias em UNIX 19 Operações Sobre Directorias 1. Criar (vazia, excepto?) 2. Apagar 3. Abrir directoria 4. Fechar directoria 5. Ler directoria 6. Renomear 7. Link 8. Unlink 20 10

11 Implementação do Sistema de Ficheiros Uma possível organização do sistema de ficheiros 21 Implementando Ficheiros (1) (a) Alocação contígua do espaço do disco para 7 ficheiros (b) Estado do disco depois dos ficheiros D e E terem sido removidos Vantagens / Desvantagens? Um sistema de ficheiros usa este esquema, qual? 22 11

12 Implementando Ficheiros (2) Guardar ficheiro como uma lista ligada de blocos de disco Desvantagens? 23 Implementando Ficheiros (3) Alocação da lista ligada usando uma tabela de ficheiros em RAM (FAT) Desvantagens? 24 12

13 Implementando Ficheiros (4) Porquê? Um exemplo de um i-node Vantagens? O( ) 25 Implementando Directorias (1) (a) Uma simples directoria entradas com tamanho fixo endereços no disco e atributos na entrada da directoria (b) Directoria em que cada entrada referencia um i-node 26 13

14 Implementando Directorias (2) Duas formas de lidar com nomes grandes de ficheiros numa directoria (a) In-line (b) In a heap 27 Ficheiros Partilhados (1) Um sistema de ficheiros contendo um ficheiro partilhado 28 14

15 Ficheiros Partilhados (2) (a) Situação antes de link (b) Depois de ser criado link (c)depois de o dono original apagar ficheiro Desvantagens? / Alternativa? / Desvantagens? 29 Gestão de Espaço em Disco (1) Normalmente um ficheiro é dividido em blocos não adjacentes de tamanho fixo. Porquê? Qual o tamanho de um bloco? Se for um cilindro então um ficheiro de 1 byte ocupa um cilindro inteiro! No UNIX por exemplo a média do tamanho dos ficheiros é de 1kB. Se se alocar um bloco de 32kB então 97% do disco não é usado! Por outro lado, blocos pequenos aumenta o tempo de acesso Um ficheiro passa a ser consistuido por vários blocos 30 15

16 Gestão de Espaço em Disco (2) Block size Linha a cheio (escala do lado esquerdo) mostra taxa de transferência Linha a tracejado (escala do lado direito) mostra espaço em disco Todos os ficheiros com 2KB 31 Gestão de Espaço em Disco (3) (a) Guardar a lista de blocos livre numa lista ligada (b) Num bitmap 32 16

17 Gestão de Espaço em Disco (4) (a) Bloco de ponteiros em RAM para os blocos de disco livres quase cheia - três blocos de ponteiros no disco (b) Resultado de libertar um ficheiro com 3 blocos (c) Estratégia alternativa para gerir esta situação - entradas a cinzento representam ponteiros para blocos livres no disco 33 Gestão de Espaço em Disco (5) Quotas para registar o uso do disco por parte dos utilizadores 34 17

18 Backups Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (1) Recuperar por desastre Recuperar por estupidez Backups totais Backups incrementais Vantagens / Desvantagens? 35 Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (1) Dumps fisicos começa no bloco 0 e copia tudo para a tape grande velocidade não permite backups incrementais copia todas as directorias não permite a recuperação de ficheiros individuais e os blocos livres? e os bad blocos? Dumps lógicos começa numa ou várias directorias e percorre-as recursivamente reconstruir a lista de blocos livres ficheiros partilhados apenas devem ser copiados uma vez Ficheiros especiais não devem ser copiados 36 18

19 Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (2) File that has not changed Um sistema de ficheiros para ser dumped quadrados são directorias, circulos são ficheiros a cinzento, os modificados desde o último dump cada directoria/ficheiro com o número de i-node 37 Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (3) Bitmaps usados pelo algoritmo de dump 38 19

20 Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (4) Inconsistência dum sistema de ficheiros crash antes de todos os blocos modificados terem sido escritos em disco blocos podem ser ficheiros, i-nodes, directorias, lista de blocos livres utilitários: fsck, scandisk, fsck: mantem duas tabelas com um contador por bloco: quantas vezes está presente num ficheiro quantas vezes está presente na free list 39 Fiabilidade dos Sistemas de Ficheiros (5) Estado dum sistema de ficheiros (a) consistente (b) falta um bloco (c) bloco duplicado na lista de livres (d) bloco de dados duplicado Verifica tambem o sistema de directorias Sols.? 40 20

21 Desempenho dos Sistemas de Ficheiros (1) Estruturas de uma cache de blocos LRU é a melhor solução? 41 Desempenho dos Sistemas de Ficheiros (2) Desvantagens do LRU blocos críticos e muito referênciados não são guardados em disco LRU modificado o bloco será usado brevemente? o bloco é essencial para a integridade do sistema? blocos divididos em categorias i-node blocos indirectos directorias cheios de dados quase cheios de dados UNIX: sync e update MS-DOS: write-through caches 42 21

22 Desempenho dos Sistemas de Ficheiros (3) Ler blocos antes de serem necessários Ao aceder ao bloco k coloca em cache o bloco k+1 Qual o tipo de acesso onde esta optimização ajuda? E o tipo de acesso onde prejudica? O sistema de ficheiros deve ser adaptativo 43 Desempenho dos Sistemas de Ficheiros (4) I-nodes colocados no início do disco: Problema no acesso a ficheiros pequenos? Disco dividido em grupos de cilindros cada um com os seus blocos e i-nodes 44 22

23 Sistemas de Ficheiros Estruturados com Logs Com CPUs mais rápidos, memórias maiores caches de disco podem também ser maiores aumento do número de leituras podem vir da cache por isso, maior parte dos acessos ao disco serão escritas Estratégia LFS estrutura o disco todo como um log todas as escritas são inicialmente feitas para um buffer em memória periodicamente escreve esses dados para o final do log no disco quando o ficheiro é aberto, localiza o i-node, depois encontra os blocos 45 Exemplos de Sistemas de Ficheiros CD-ROM entrada de uma directoria em ISO

24 O Sistema Ficheiros CP/M (1) Organização da memória no CP/M 47 O Sistema Ficheiros CP/M (2) entrada de uma directoria em CP/M 32 entradas blocos de 1kB Durante o arranque, é calculado um bitmap dos blocos livres (como?) e carregado em memória Como resolver o problema do limite de tamanho? 48 24

25 O Sistema de Ficheiros MS-DOS (1) entrada de 32 bytes de uma directoria em MS-DOS Usa uma FAT: 12, 16 ou 32 (28 bits) 49 O Sistema de Ficheiros MS-DOS (2) Partição máxima para diferentes tamanhos de blocos As entradas a branco indicam combinações impossíveis 50 25

26 Sistema de Ficheiros Windows 98 (1) Bytes entrada de uma directoria usada no Windows 98 (extendida do MS-DOS) Ficheiros com nomes grandes: entrada normal com nome do tipo: SISTEM~1.DOC, antecedida de entradas especiais que guardam o nome compeleto 51 Sistema de Ficheiros Windows 98 (2) Bytes Checksum Parte de uma entrada de um ficheiro com um nome grande em Windows 98 (esta entrada antecede a entrada com o nome MS-DOS) Problema? 52 26

27 Sistema de Ficheiros Windows 98 (3) Um exemplo de como um nome de ficheiro grande pode ser guardado em Windows Sistema de Ficheiros UNIX / Linux 54 27

28 O Sistema de Ficheiros UNIX (1) Directorias importantes em sistemas UNIX 55 O Sistema de Ficheiros UNIX (2) Before linking. After linking. (a) Antes do link. (b) Depois do link 56 28

29 O Sistema de Ficheiros UNIX (3) Separate file systems After mounting (a) (a) Antes do mount. (b) (b) Depois do mount 57 Locks Sobre Ficheiros (a) Ficheiro com um lock (b) Adicionar um segundo lock (c) Terceiro lock 58 29

30 Chamadas de Sistema para Ficheiros s é um código de erro fd é um descritor de ficheiro position é um deslocamento 59 A chamada stat Campos retornados pela chamada stat

31 Chamadas de Sistema para Directorias s é um código de erro dir identifica uma directoria aberta dirent é uma entrada numa directoria 61 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (1) Layout de uma partição nos sistemas UNIX clássicos 62 31

32 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (2) entrada de um directoria em UNIX V7 Limitação imposta por esta estrutura? 63 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (3) Directory entry fields. Campos de um i-node 64 32

33 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (4) Um i-node em UNIX 65 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (5) Porque motivo a posição de leitura/escrita não é guardada na copia do inode em memória? Tabela de descritores de ficheiros vs. Tabela de ficheiros abertos 66 33

34 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (6) Os passos para localizar /usr/ast/mbox 67 Implementação do Sistema de Ficheiros UNIX (7) Berkeley FFS Directoria com 3 ficheiros Mesma directoria após apagar o ficheiro voluminous Grupos de cilindros Dois tamanhos de blocos 68 34

35 Sistema de Ficheiros Linux Ext2 (1) Começou por ser o Minix Compativel com UNIX V7 Depoiso Ext Nomes de ficheiros com 255 caracteres Ficheiros de 2GB Muito lento Finalmente Ext2 Muito semelhante ao Berkeley Fast File System O Linux suporta no entanto vários tipos de sistemas de ficheiros 69 Sistema de Ficheiros Linux Ext2 (2) Layout do sistema de ficheiros Linux Ext

36 Sistema de Ficheiros Linux Ext2 (3) Cada i-node com 128 bytes 12 endereços directos de blocos 3 indirectos Endereços dos blocos com 4 bytes Blocos de 1KB Quantos blocos são endereçados por um bloco de indirecção simples? E dupla? 71 Sistema de Ficheiros Linux Ext3 (1) Compatível com Ext2 Usa journaling Ficheiro especial Quando o sistema de ficheiros é actualizado um registo é acrescentado ao log Uma tarefa processa estas transacções e escreve os dados para o sistema de ficheiros 72 36

37 Sistema de Ficheiros Linux Ext3 (2) 1. A operação é escrita no ficheiro de log 2. A operação é escrita no sistema de ficheiros 3. A entrada do log é marcada como completa Mantém a consistência do sistema de ficheiros Se a máquina for abaixo, no reboot a tarefa recomeça a escrever o que ainda não tinha escrito Transacções incompletas são ignoradas 73 Sistema de Ficheiros Linux Ext3 (3) Log com dados completos Mais seguro (dados são escritos na totalidade ou não são escritos de todo) Mais lento Log apenas com metadata Mais rápido Apenas garante consistência 74 37

38 Sistemas de Ficheiros Linux ReiserFS Usa árvores balanceadas para os ficheiros e nomes de ficheiros Mantém um registo de todas as modificações da árvore XFS Usa árvores balanceadas Permite grandes ficheiros Bom suporte para multiprocessadores JFS Blocos livres estruturados numa árvore Directorias pequenas optimizadas nos i-nodes 75 Sistema de Ficheiros do Windows 2000 (NTFS) 76 38

39 API do Sistema de Ficheiros Windows 2000 Win32 API para manipular ficheiros Segunda coluna apresenta o equivalente UNIX 77 API do Sistema de Ficheiros Windows 2000 Parte do código para copiar um ficheiro em Windows

40 API do Sistema de Ficheiros Windows 2000 Win32 API para manipular directorias Segunda coluna apresenta o equivalente UNIX 79 Estrutura do Sistema de Ficheiros Sequência de registos com 1 kb Cada registo corresponde a um ficheiro ou directoria, e descreve atributos e lista de blocos Primeiros 16 registos são ficheiros com metadados do NTFS Bitmap com entradas livres da MFT NTFS master file table 80 40

41 Atributos usados nos registos MFT Cada registo consiste numa seq de <cabeçalho do atributo, valor> Cabeçalho contem o comprimento do atributo Se atributos não couberem no registo, valor contem um apontador para disco inline ou lista de blocos 81 Estrutura do Registo MFT de um Ficheiro Registo MFT para um ficheiro com 3 runs e 9 blocos 82 41

42 Estrutura do Registo MFT de um Ficheiro Fragmentado Ficheiro que necessita de 3 registos MFT para armazenar as runs 83 Estrutura do Registo MFT de uma Directoria Registo MFT para uma directoria pequena. Directoria grandes guardadas numa árvore B+ para facilitar o lookup 84 42

43 Lookup de um Nome de um Ficheiro Passos para o lookup de C:\maria\web.htm (traduzido por biblioteca para \??\C:\maria\web.htm) 85 Compressão de Ficheiros (a) Exemplo de um ficheiro de 48 blocos comprimido para 32 blocos (b) Registo MTF do ficheiro após a compressão 86 43

44 Cifra do Ficheiro K retrieved user's public key 87 44

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