Sistemas Operacionais

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1 Introdução Sistemas Operacionais Implementação de arquivos Gerenciamento de espaço em disco Trabalho sob a Licença Atribuição-SemDerivações-SemDerivados 3. Brasil Creative Commons. Para visualizar uma cópia desta licença, visite Aula 12 Arquivo é a unidade de armazenamento de informações Para implementar um arquivo é preciso Alocar espaço físico no meio de armazenamento e associá-lo ao arquivo O meio de armazenamento básico é o disco rígido Fornecer um nome, determinar permissões e permitir sua localização Informações armazenadas em entradas de diretório Principais pontos: Alocação do espaço de armazenamento Na criação de arquivos e sua expansão Gerenciamento do espaço de armazenamento livre Na remoção de arquivos ou na sua redução Desempenho Sistemas Operacionais 2 Implementação de arquivos Alocação do espaço físico Princípio básico Dividir o arquivo em blocos lógicos e atribuí-los a blocos no espaço de armazenamento secundário Noção de File Map Table (FMT) Descrição de quais blocos do disco formam um arquivo Espécie de cartografia de disco Blocos lógicos (arquivo) Blocos do disco Objetivo: Alocar blocos do espaço do meio físico para armazenar arquivos de forma a acessá-los eficientemente Estratégias Contígua: alocação contígua Não contígua: alocação encadeada e alocação indexada Requisitos e problemas similares aos da gerência de memória Arquivo é dividido em blocos lógicos contíguos Blocos lógicos são mapeados para blocos do disco (mesmo tamanho) Em discos rígidos, o bloco do disco (físico) é composto por n setores lógicos do disco Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Alocação contígua Problemas com alocação contígua Arquivo é uma sequência de blocos fisicos contíguos alocados na criação Endereços de blocos são lineares bloco lógico i e i+1 são armazenados fisicamente em sequência, ou seja, nos blocos do disco j e j+i. Reduz a movimentação mecânica do cabeçote de leitura e escrita do disco Melhora o desempenho de acesso Entrada no diretório Nome (e outros atributos) Bloco físico inicial Tamanho do arquivo em blocos Problema 1: encontrar espaço no disco para um novo arquivo Técnicas de gerência de memória e.g.; first-fit, best-fit, worst-fit Gera fragmentação externa Necessidade de compactar o disco (eliminar os espaços entre arquivos) Problema 2: determinar o espaço necessário a um arquivo Arquivos tendem a crescer, e se não há espaço contíguo disponível? Aborta execução do programa com erro Recopia o programa para uma zona maior Pré-alocar no disco um espaço máximo para o arquivo Isso gera uma fragmentação interna no espaço préalocado se o arquivo não usar todo o espaço máximo Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Alocação encadeada Prós e contras da alocação encadeada A. 7 Carissimi -24-avr.-18 Soluciona os problemas da alocação contígua: Dimensionamento do tamanho Crescimento de arquivos Arquivo é uma lista encadeada de blocos Cada bloco contém um ponteiro para o próximo bloco Arquivo é descrito por uma entrada no diretório na forma: Nome (e outros atributos) Bloco inicial do arquivo Bloco final do arquivo ou tamanho do arquivo em blocos ou marca especial de final de arquivo (ponteiro NULL) Elimina a fragmentação externa no disco Arquivos podem crescer indefinidamente O limite é a disponibilidade de blocos livres O acesso a um bloco lógico i implica percorrer a lista encadeada até achar o bloco do disco j correspondente Afeta o desempenho Acesso randômico: exige ler os blocos desde o inicio até chegar ao desejado Acesso sequencial: custo de reposicionamento do cabeçote Confiabilidade Erro provoca a leitura/escrita em bloco pertencente a outro arquivo ou a blocos livres aleatórios Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Alocação indexada Prós e contras da alocação indexada Busca resolver o problema de ponteiros esparramados pelo disco que a alocação encadeada provoca Um arquivo é descrito em bloco de índices Bloco do disco com uma função especial Lista os blocos que compõem o arquivo Indice = endereço de bloco de dados Arquivo é descrito por uma entrada no diretório na forma: Nome (e outros atributos) Endereço de um bloco usado como bloco de índice Permite o acesso randômico a blocos independentes de sua posição relativa no arquivo Tamanho máximo do arquivo é limitado pela quantidade de entradas que o bloco pode fornecer Bloco é muito pequeno (limita tamanho do arquivo) Bloco é muito grande (desperdiça espaço em disco) Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 1 Variações em alocação indexada Método multinível Buscam resolver o problema do tamanho do bloco de índices Três métodos básicos: Multinível: criar índices de índices Encadeado: encadear blocos de índices Combinado: mix dos métodos encadeado e multinível Mantém um índice de índices Não resolve completamente o problema de limite (proporcional a n x n) Bloco de índice de índices () (31) 1 (7) 442 (1) (442) Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12

4 Método encadeado Método combinado O bloco de índice possui endereços dos blocos (de dados) que compõem o arquivo, à exceção da última entrada Última entrada: endereço para um bloco onde a lista de indices continua k k+1 () (618) k k+1 (3) NULL NULL Sistemas Operacionais 13 5 (5) Métodos multinível e encadeado em uma única estrutura de dados O que justifica essa combinação? Acesso otimizado a blocos de dados: método indexado Limite de arquivos: multinível Ponteiros p/ bloco de dados Ponteiros p/ bloco de índices Bloco combinado () (7) 442 Sistemas Operacionais 14 (31) (442) Estudos de caso File Allocation Table (FAT) Alocação encadeada File Allocation Table (FAT) NTFS Alocação indexada (combinada) i-nodes Unix Sistemas Operacionais 15 Variação de alocação encadeada Uma entrada na FAT para cada bloco do disco (sistema de arquivos) Composta por um ponteiro (endereço do bloco) Arquivo é descrito por uma sequência de entradas na FAT, cada entrada apontando para a próxima entrada Diretório jeep 217 Primeiro setor do arquivo (start block) Desvantagem: tempo de busca de dados (seek) Sistemas Operacionais 16 FAT EOF

5 Exemplo: sistema de arquivos FAT (MS-DOS) Exemplo: NTFS Organização lógica do disco: Setor Setor n Área reservada Diretório raiz possui tamanho fixo em função da capacidade do disco Cada entrada possui 32 bytes Tamanho da File Allocation Table (FAT) é proporcional a capacidade do disco Alocação é baseada em clusters (bloco do disco) 2 n setores (depende da capacidade do disco) FAT Diretório raiz Arquivos Descritores (registros) são armazenados no MFT 12 entradas iniciais são arquivos de controle (metafiles) Demais entradas estão disponíveis para arquivos e ou diretórios Cada entrada é formada por um conjunto de pares {atributo, valor} Se houver atributos que excedam a capacidade de uma entrada, uma nova entrada é encadeada a essa primeira Registro MFT (1 KB): Header standard Nome do arquivo Segurança VCN LNC Nro. Cluster VCN VCN LNC LNC Virtual Cluster Number Logical Cluster Number Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Exemplo: i-node (descritor de arquivos UNIX) Gerenciamento do espaço livre Unix usa método combinado com dois tamanhos de blocos: um para bloco de índice (inode) e outro para bloco dados Pré-definidos em uma tabela no disco (partição) Entrada do diretório associa nome simbólico a i-node bytes 1 Necessário manter a informação de blocos livres Criar ou expandir um arquivo necessita alocar blocos Remover ou diminuir um arquivo implica em liberar blocos (reaproveitá-los!!!) Métodos básicos: Lista de blocos livres Mapa de bits (bitmap) Sistemas Operacionais 19 Sistemas Operacionais 2

6 Lista de blocos livres Mapa de bits (Bit maps) Duas estratégias Arquivo de blocos livres Os blocos livres formam um arquivo espaço livre podendo usar as técnicas estudadas (encadeado, indexado, combinado) O conteúdo do arquivo é uma sequência de endereços de blocos livres Lista encadeada (agrupamento) Um bloco possui a localização de blocos livres Última entrada (enésima) aponta para um novo bloco de blocos livres Desvantagem: Tempo de acesso ao disco para manutenção dessas estruturas Cada bloco lógico ou está livre ou está ocupado Um bit por bloco (ex.: 1:livre :ocupado) Prós e contras: Lista de tamanho reduzido (n blocos = n bits) Localização espacial pode ser identificada por uma sequência de bits em um mesmo estado Desempenho no varrer o bitmap Operações de manipulação de bits Sistemas Operacionais 21 Sistemas Operacionais 22 Estudo de caso: Unix e Windows layout do sistema de arquivos ext2fs (Unix) Unix Emprega bit map Área específica do disco lógico (partição) Unix Windows Emprega bit map É um arquivo de dados especial Super bloco Boot sector Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo n Descritor grupo Bitmap blocos Bitmap i-node i-nodes 1 bloco n blocos 1 bloco 1 bloco n blocos Super bloco: descritor do tamanho e formato do sistema de arquivos Descritor grupo: organização do grupo (tamanho e formato) Bitmap blocos: indicação se um bloco do grupo está livre/ocupado Bitmap i-nodes: indicação se um i-node do grupo está livre/ocupado i-nodes: tabela com os i-nodes do grupo Sistemas Operacionais 23 Sistemas Operacionais 24

7 Estrutura de uma partição NTFS Leituras complementares Setor de boot Volume NTFS MFT MFT Zone Cluster (dados) Cluster (dados) 12.5% da partição Mirror parcial do MFT (meio da partição) Espaço do disco é dividido em clusters Utiliza um arquivo de bitmap para manter clustes livres/ocupados Tamanho do cluster é definido em função da capacidade do disco Compromisso é desempenho versus desperdício de disco Um volume NTFS tem até clusters (teórico) Uma partição NTFS é dividida em duas partes: Área MFT (Master File Table) Área destinada ao armazenamento de dados R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Sagra-Luzzato, 21. Capítulo 8, seção A. Silberchatz, P. Galvin; Operating System Concepts. 4 th edition, 1994, Addison-Wesley. Capítulo 11 seção 11.2 Sistemas Operacionais 25 Sistemas Operacionais 26