Sistemas Operacionais

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1 Inrodução Ins iuo de Info ormáic ca - UF FRGS Sisemas Operacionais i Sisemas de arquivos esruurados em log e jornalizados Aula Sisemas de arquivos apresenam quesões quano: Desempenho no acesso Confiabilidade d (perdas e consisência) i Exisem soluções em Hardware: configurações RAID Sofware: Srucured File Sysem e Jornalizados As soluções de hardware e sofware auam de forma diferene para aender os requisios de desempenho e confiabilidade Não são equivalenes Sisemas Operacionais Desempenho O problema de desempenho... exemplo Acesso a disco envolve rês empos Busca ( 0 ms), laência roacional ( 3 a 4 ms) e ransferência (ordem de μs) Escrever em um arquivo de dados de um bloco no direório acesso seek laro ransf laro roação ransf Tempo de ransferência b N roação (seek) Seor Caracerísicas mecânicas e Exclusivamene caracerísicas i proporcional a quanidade Cabeçoe mecânicas de bye lidos Tempo de laênica Para melhorar o desempenho Reduzir a quanidade de busca (seek) e laência roacional (posicionameno) Ler o máximo possível de dados após um posicionameno Escrias são mais lenas que leiuras Trilha Tempo de busca leiura/escria Pelo menos 4 escrias Ler i-node do direório (para acessar o direório) Ler o bloco de dados do direório (para buscar a enrada do arquivo) Ler o i-node do arquivo (para poder acessar /aualizar o arquivo) Ler o bloco de dados do arquivo Escrever o bloco de dados no arquivo Escrever o bloco de dados do direório (aualização da enrada do direório) Escrever o i-node do arquivo (aualização de imesamps) Escrever o i-node do direório (aualização de imesamps) Se fosse um novo bloco ainda haveria aualizações do bimap de livres Sisemas Operacionais 3 Sisemas Operacionais 4

2 Uma solução para o problema de desempenho... Formas de maner a consisência Uilizar cache em memória, mas... Aumena chance de perda de dados e inconsisência do sisema de arquivos Inconsisência i quando meadados d em memória são modificados d em relação aos valores que esão no disco Meadados podem ser escrios de forma síncrona A escria de dados no disco conínua a ser de forma assíncrona e lena Lembrando que consisência... é vinculada a cada parição significa maner as invarianes do sisema garane a coerência dos meadados (lisa de i-nodes, blocos livres, ec) garania da consisência NÃO é sinônimo de garania da inegridade dos arquivos Recuperação da consisência Processo demorado e proporcional ao amanho da parição verificada Ferramenas de manuenção (uiliário do sisema operacional) Preciso varrer odos os blocos da parição (e.g.: fsck, chkdisk, scandisk) Desvanagens adicionais: Indisponibilidade do sisema de arquivos durane a varredura Inervenção manual do usuário Usar organização novas para os sisemas de arquivos Srucured File Sysems (LSF) Sisemas Jornalizados Sisemas Operacionais Sisemas Operacionais 6 Novos paradigmas para sisemas de arquivos Srucured File Sysems Visam endereçar as quesões de desempenho e de consisência Princípios básicos: Preservação: Dados esáveis no disco não podem ser afeados por uma pane Predição: Comporameno de recuperação após a pane deve apresenar resulados previsíveis Aomicidade: Uma operação é compleamene realizada ou é considerada como nunca iniciada UFRGS rmáica - U acesso seek laro ransf Principio básico: Agrupar em memória as escrias que seriam pequenas e randômicas e fazê-las de uma única vez de forma sequencial (segmenos) Em relação a exemplo de aleração de arquivos, as modificações nos meadados são feias em uma única escria Quesões: Dados e meadados ficam misurados no disco. Como achá-los? Dados e meadados em memória aé serem escrios. Como não perdê-los? Informação é sempre escria no final do log. Como recuperar áreas que possuem informações anigas (e desaualizadas)? Sisemas Operacionais Sisemas Operacionais 8

3 Organização do disco (parição) Mecanismo de checkpoin A parição é o log e é organizada em segmenos Porção conígua no disco (unidade de ransferência) Os segmenos possuem um sumário (localização li de blocos e i-nodes denro do segmeno) Possui uma área especial denominada de checkpoin Posição no log onde odos meadados esão compleos e consisenes Armazenado em áreas fixas no disco Lida para memória na inicialização Aualizada de forma periódica, no unmoun e no shudown UFRGS rmáica - U Resolve dois problemas: localização e consisência Localização de i-nodes Checkpoin maném a localização dos i-nodes Manida em memória (lida na inicialização) para melhorar o acesso Consisência sê Em caso de falha por colapso (crash), a úlima aualização do checkpoin é que vale para represenar o disco na reinicialização do sisema Sisemas Operacionais 9 Sisemas Operacionais 0 Colea de lixo (garbage g collecion) ) Sisemas de arquivos jornalizados Mecanismo para recuperar espaço em disco Feio de forma periódica por um processo especial (cleaner) Similar il a colea de lixo feia em memória Exemplo: Segmenos e 6 possuem denro deles arquivos válidos e arquivos removidos: compaca os dois segmenos e cópia arquivos para uma região livre e refaz encadeamenos Exisem várias oimizações i para acelerar esse processo 4-nov Emprega ecnologia proveniene de sisemas de banco de dados Mecanismo de base é realizar as aualizações no sisema de arquivos aravés do emprego de ransações As ransações (operações) são manidas em um jornal (arquivo log) Efeua um rasreameno das modificações feias no sisema de arquivos Em caso de pane uiliza as informações do jornal para deixar o sisema em um esado consisene Begin ransação End ransação Sisemas Operacionais Sisemas Operacionais

4 O conceio de ransação Fases de uma ransação 4-nov Analogia: um negócio é considerado feio somene após o acordo enre as pares e a assinaura do conrao Devem oferecer a propriedade ACID Aomicidade: ser indivisível sob o pono de visa exerno Consisência: não violar invarianes* do sisema Isolameno: ransações concorrenes não devem inerferir uma nas ouras Durabilidade: uma vez concluída, os efeios são permanenes Primiivas básicas: begin_ransacion, end_ransacion, commi e abor Procedimeno de Roll-back Uma ransação não concluída deve maner inalerado o esado do sisema 4-nov Fase : Operações são realizadas e regisradas de forma a permiir que sejam confirmadas ou desfeias. Fase : Modificações decorrenes das operações são concreizadas ou desfeias. Begin_ransacion( ) Execução de operações que fazem pare da ransação end_ransacion( ) OU Abor_ransacion( ) Commi( ) Abor( ) Modificações realizadas são ornadas permanenes Modificações realizadas não são concreizadas Sisemas Operacionais 3 Sisemas Operacionais 4 Técnicas para implemenação de ransações Técnica de blocos de rascunho (shadow blocks) ) uo de Info arissimi - Insiu A. Ca Blocos de rascunho (shadows blocs) Wrie ahead log Sisemas Operacionais 4-nov 3 Livres Arquivo Modificar os dados do bloco lógico Indice (4 físico) e aumenar o arquivo o 0 de um bloco Livres 0 o Indice Indice o Indice (enaiva) 3 o aboro 4 3 Livres Livres Livres 0 (enaiva) 0 Indice Confirmação 0 (commi) o Sisemas Operacionais 6

5 Técnica wrie ahead log Implemenação de ação aômica 4-nov begin ransacion( ) lê valor de x x = 00 lê valor de y y = 00 x = x - ; x=(00)(9) x=(00)(9) y = y + ; y=(00)(0) end_ransacion( ) Commi( ) Abor( ) 9 0 x=(00)(9) y=(00)(0) x=(00)(9) y=(00)(0) Commi( ). Execução da ação aômica A i a. Na execução de begin aomic acion criar uma lisa de inenções e um flag commi commi flag = (A i, no commied ) Lisa de inenções = vazia b. Para cada aualização feia por uma subação, adicionar um par (d, v) na lisa de inenções, onde d é nro de um bloco e v é novo valor para ese bloco c. Na execução de end aomic acion, colocar o valor da ação A i para commi, ir passo.. Processameno do commi. Para cada par (d,v) na lisa de inenções, escrever v no bloco d do disco. Remover o flag commi e a lisa de inenções 3. Na recuperação após uma falha: se o flag commi de uma ação A i exisir. Se o valor do flag é no commied : apagar o flag commi e a lisa de inenções e reiniciar a ação A i. Realizar o passo se o valor do flag é commi Sisemas Operacionais Sisemas Operacionais 8 Modos de jornalização Prós e conras da jornalização Wrie behind Garane a consisência apenas dos meadados As operações de aualização de blocos de dados d podem ser perdidas Ordered daa Garane a consisência dos meadados e dos dados, fazendo com que os meaados sejam confirmados somene após a escria do bloco de dados Pode aconecer de um bloco novo er sido escrio no disco, mas ainda não er sido aualizado como perencene ao arquivo Full daa Garane a consisência dos meadados e dos dados por jornalização 4-nov Tendência a fragmenar o disco Cuso compuacional Maior quanidade de operações de enrada e saída no disco Aualização do jornal no disco é sem uso de cache Paliaivo: Nem oda parição necessia ser jornalizada Sisemas Operacionais 9 Sisemas Operacionais 0

6 Sisemas de arquivos jornalizados em moda Diferença enre log srucured e jornalização XFS (SGI-irix/linux) JFS (IBM-aix/linux) ReiserFS (linux) ex4fs (linux) NTFS (Windows 8,, visa, XP, versões Windows server) Diferença é basicamene a esruura do log srucured Escrias são feias no final do log Dados e meadados são escrios no log Oimizado para operações de escria Jornalização Escrias são feias em duas áreas: arquivo de log (journal) e blocos de dados Dois ipos: logar apenas os meadados e logar os meadados e blocos de dados 4-nov Sisemas Operacionais Sisemas Operacionais Esudo de caso: ex4fs (e ex3fs) Esudo de caso: NTFS Objeivos: Ser um sisema de arquivos jornalizado Ser compaível com o ex (usa mesmas esruuras de conrole) Permie ser configurado para meadados e dados regulares Transações são manidas no meafile ($File) Armazena apenas meadados Garane a consisência do sisema de arquivos não de dados de usuário Problema é o desempenho Três ipos de jornalização: Jornal: dados e meadados Ordenado: meadados porém os aualiza após er escrio os dados regulares Méodo defaul UFRGS rmáica - U 4-nov Wrieback: meadados Arquivo de jornal é.jornal no raiz do sisema de arquivos ex3 /ex4 4-nov Sisemas Operacionais 3 Sisemas Operacionais 4

7 Leiuras complemenares Silberchaz, A.; Galvin, P.B. Operaing Sysems Conceps. Adisson wesley, h ediion, 994. Capíulos 3 e Silberchaz, A.; Galvin, P.B; Gagne, G. Sisemas Operacionais: conceios e aplicações. Campus, a edição, 000. Capíulos e 8 Sisemas Operacionais