Sistemas Operacionais

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1 Introdução Sistemas Operacionais Sistema de arquivos virtual Aspectos de implementação de sistemas de arquivos Trabalho sob a Licença Atribuição-SemDerivações-SemDerivados 3.0 Brasil Creative Commons. Para visualizar uma cópia desta licença, visite Aula 13 Objetivo é prover acesso eficiente e conveniente a dispositivos de armazenamento Dois problemas: Como o sistema de arquivos aparece ao usuário Atributos, operações, estruturas de diretório, tipo do arquivo, etc Como mapear arquivos no dispositivo físico Solução: organização hierárquica de camadas Interfaces e serviços conhecidos Objeto opaco cada um com diferentes níveis de abstração API N Camada N API (N-1) Sistemas Operacionais 2 Estrutura em camadas Interface do sistema de arquivos Aplicação Sistema de Arquivos Lógico Organização de arquivos Sistema de Arquivos Básico Controle de E/S Dispositivos físicos Noção de FCB (File Control Block): metadados Gerência de metadados, proteção, etc... Mapeamento de bloco lógico em bloco físico Gerência de espaço livre Comandos genéricos para leitura/escrita no disco Buffers e caches Device drivers Tratadores de interrupção Arquivo é um tipo de abstrato de dados Definição de operações que podem ser feitas sobre um arquivo Operações implementadas por chamadas de sistema (via funções biblioteca) Operações básicas Criação de arquivos, escrita e leitura em arquivos, reposicionamento do ponteiro corrente (seek), remoção de arquivos, truncamento de arquivos Outras funções: append, renomeação, mudança de atributos... Informações associadas a arquivos Atributos (nome, datas de criação/modificação, tipo, identificador...) Metadados são mantidos e/ou obtidos na entrada correspondente no diretório Noção do apontador de posição corrente (current file position pointer) Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Chamadas de sistema open e close Tabela de arquivos abertos A execução das operações envolve acesso ao diretório Metadados do arquivo que está sofrendo a operação Objetivo é evitar pesquisa no diretório (acesso ao disco) Solução: manter em memória as informações do arquivo em uso Primitiva open( ) Recebe o nome do arquivo e busca a entrada correspondente no diretório Recebe informações de acesso (leitura/escrita) para verificar permissões Mantém entrada do arquivo em memória (tabela de arquivos abertos) Retorna um ponteiro para a entrada na tabela de arquivos abertos Primitiva close() Liberada entrada na tabela de arquivos abertos Atualiza metadados Problema: Vários processos podem abrir um mesmo arquivo simultaneamente Dois níveis de informação Por processo (e.g. current file position pointer, modos de acesso,...) Sistema ou independente de processo (e.g. localização, permissões de acesso, proprietário, contador de arquivos abertos...) Na prática existem duas tabelas Tabela de descritores de arquivos abertos (system wide) Informações independentes de processo Tabela de descritores de arquivos aberto por processo Informações dependentes do processo Possui entrada na tabela de descritores de arquivos abertos (system wide) Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Tabelas de descritores de arquivos abertos Conceito de montagem Corresponde ao file descriptor da função open Informações típicas: Ponteiro do arquivo (descritor) Contador de arquivos abertos Localização do arquivo em disco Permissões de acesso Informações típicas: Ponteiro posição corrente Modo de acesso dado na open() Accounting Integração de um sistema de arquivos em uma estrutura de diretórios Comandos (chamadas de sistemas) para montar e desmontar Permite a coexistência de diferentes sistemas de arquivos Diferentes partições (discos lógicos) Diferentes dispositivos e meios físicos Partição é um disco lógico Pode possuir um sistema de arquivos (volume) ou não (formato bruto ou raw) Um sistema de arquivos só pode ser acessado se fizer parte da hierarquia Operação de montagem (mounting) Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Montagem de um sistema de arquivos Montagem: situação genérica Objetivo é tornar um sistema de arquivos disponível Montagem é dada por: Nome de um dispositivo que mantém uma estrutura de arquivos Ponto de montagem Local dentro da estrutura de arquivos onde o sistema de arquivos será anexado Normalmente um sistema de arquivo é montado uma única vez em um diretório vazio Se não vazio: erro OU indisponibiliza conteúdo original do diretório O procedimento de boot monta pelo menos - a partição raiz Onde fica a imagem do núcleo e arquivos de inicialização/configuração Comando de montagem <FS_name; mount_point> admin A / agenda docs items horarios Ponto de montagem No Unix, tipicamente é um dispositivo /dev/hda1 (%mount /dev/hda1 A/admin) A raiz do sistema montado assume o nome do ponto de montagem %mount / A/admin agenda docs items A admin A/admin/agenda/docs horarios Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 10 Exemplo de montagem Virtual File System A. Carissimi - /dev/hda1 /dev/hda2 /dev/hda3 /dev/hdb1 /dev/hdb2 Abstração que fornece um modelo genérico de arquivos Implementado entre a aplicação e o(s) sistema(s) de arquivos Duas interfaces: uma com a aplicação, outra com o(s) sistema(s) de arquivos Funções genéricas: open, close, read, write, mount, unmount,... Disponíveis via funções de biblioteca e CLI (Command Line Interface) Funções específicas: funções reais de acesso Mapeamento de uma função genérica para sua equivalente especifica Vários sistemas de arquivos podem estar ativos simultaneamente Consequência da montagem Virtual File System (VFS) NTFS iso9660 ext3 Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12

4 Princípio de implementação Virtual node (v-node) A. Carissimi - Baseado em técnicas de orientação a objetos Estrutura de dados e procedimentos são usados para isolar a funcionalidade básica de sua implementação Três camadas API: interface entre os processos de usuário e o sistema de arquivos VFS: separação entre as operações genéricas da implementação Identificador único (v-node) Implementação do sistema de arquivos específicos Estruturas de dados VFS mantém suas estruturas de dados e metadados genéricos Cada sistema de arquivo possui suas estruturas de dados, metadados e arquivos de dados próprios Implementa a noção de um objeto arquivo Possui: Dados independentes do sistemas de arquivo Identificador único, tipo do arquivo (diretório, arquivo, especial), lock, contador de referência, etc... Dados dependentes do sistema de arquivos Arquivo de dados propriamente dito com suas estruturas de alocação de espaço em disco, cartografia do disco, gerência de espaço livre Ponteiros de função para as funções específicas que implementam as funções genéricas Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Múltiplos sistemas de arquivos: estruturas de dados Implementação de sistemas de arquivos distribuídos Coleção de clientes e de servidores Servidores: armazenamento do sistema de arquivos (recursos) Clientes: utilização de recursos remotos Arquitetura geral: (válida para o Network File System NFS) A. Carissimi - System call layer Virtual File System File System DFS Client Rede Virtual File System DFS Server File System Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16

5 Desempenho: Cache de disco Princípio de funcionamento da cache de disco Objetivo é manter na memória principal os metadados, uma certa quantidade de blocos do disco (dados e controle) Blocos de controle são, por exemplo, bitmaps livre/ocupado, i-nodes, etc Não adiciona, nem elimina, funcionalidades ao sistema de arquivos Função é exclusivamente melhorar o desempenho do sistema de arquivos Normalmente a cache de disco é mantida em uma área da memória principal e é controlada pelo sistema operacional Pode ser global ou exclusiva (uma para cada sistema de arquivo suportado pelo sistema) Em uma requisição de E/S verifica se o bloco está na cache Sim: faz o acesso a partir dessa cópia em memória Não: faz o acesso a partir do disco e carrega o bloco para a cache Mecanismo de read-ahead A modificação de valores é feito diretamente nos blocos na cache Problema da perda de informações e da consistência do sistema de arquivos em caso de pane do sistema (falta de energia) Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Fatores a considerar Política de substituição Uso de cache para blocos de disco Política de substituição Política de atualização Tipo de escrita Síncrona: requisições são executadas em ordem, sem cache, direto no dispositivo físico Assíncrona: requisições são executadas na cache Verificação da consistência do sistema de arquivos Procedimentos para recuperação em caso de panes por colapso (crash) A cache de disco é um recurso limitado O que fazer quando um novo bloco deve ser inserido na cache e não há espaço livre? Problema similar a gerência de memória virtual (substituição de páginas) Bloco vítima é transferido da cache para o disco (se modificado) Tipicamente é empregado a política Least-Recently-Used (LRU) modificada por considerar que: O bloco pode vir a ser utilizado em um espaço breve de tempo? e.g: bloco de diretório, bloco de i-node indiretos, etc... Bloco possui informação crítica para a consistência do sistema de arquivos? Blocos nessa situação desobedecem a regra LRU Sistemas Operacionais 19 Sistemas Operacionais 20

6 Políticas de atualização Consistência do sistema de arquivos Posterga ao máximo Grava apenas quando o bloco for removido do cache (se modificado) Cache está plena Gravar blocos da cache no disco de forma periódica Operação SYNC (sistemas UNIX) Gravar blocos da cache a medida que são modificados Denominado de write-through caches Na prática, a cache só traz benefícios para as operações de leitura Atualiza imediatamente apenas informações sensíveis a consistência do sistema do arquivo Bitmaps localização, e metadados em geral. Problema da perda de informações e da consistência do sistema de arquivos em caso de pane do sistema (falta de energia) Principalmente se for blocos de controle (bitmaps, i-nodes, etc) Necessário garantir a consistência do sistema de arquivos Consistência é vinculada a cada partição Garante-se a coerência da gerência de blocos livres e ocupados (alocação) Atenção: garantir a consistência NÃO é sinônimo de garantir a integridade dos arquivos Tarefa de utilitários do sistema operacional e.g.: chkdisk, fsck Sistemas Operacionais 21 Sistemas Operacionais 22 Exemplo: funcionamento do fsck (arquivos) fsck: situações inconsistentes (arquivos) Ferramenta UNIX para verificação de consistência de sistemas de arquivos Bloco de dados Ou está livre, ou está ocupado Aparece apenas uma vez em um arquivo (inclui diretório) Bloco de índices (i-node) Ou está livre, ou está ocupado Um i-node por arquivo (inclui diretório), exceto no caso de hardlinks Sistema de arquivos está consistente SE as regras acima forem respeitadas Baseado em dois vetores Um monitora número de vezes que o bloco aparece em arquivos Outro monitora a lista de livres Bloco não aparece em nenhum dos vetores Ação: adicionar bloco na lista de livres ou bitmap Bloco ocorre duas ou mais vezes na lista de livres Ação: reconstruir a lista de livres (Não se aplica a bitmaps. Obvio!) Bloco ocorre duas ou mais vezes no interior de um arquivo Ação: alocar um bloco livre, copiar o conteúdo do bloco para o bloco recémalocado, e atualizar as estruturas livres/ocupados Importante: pode resultar em arquivos embaralhados porém o sistema de arquivos estará consistente Sistemas Operacionais 23 Sistemas Operacionais 24

7 fsck: situações inconsistentes (diretórios) fsck: situações inconsistentes (diretórios) Procedimento similar a verificação de arquivos Um vetor com uma entrada para cada i-node da partição Cada i-node corresponde a um arquivo (exceção: hardlinks) Funcionamento: Varre recursivamente todos os diretórios contabilizando a ocorrência de cada i-node na sua posição correspondente no vetor No final compara o número de ocorrências de cada i-node com o contador de referências (links) mantido em cada i-node Sistema de arquivos está consistente SE o número de ocorrências de cada i- node for igual ao contador de referência mantido pelo próprio i-node Detalhe: i-node é considerado livre quando o contador de referência é igual a zero Contador de referência é maior que o número de ocorrências Problema causado é o desperdício de espaço em disco i-node (e bloco) não são liberados Ação: igualar o contador de referências com o número de ocorrências Contador de referências é menor que o número de ocorrências Problema causado é uma entrada de diretório apontar para um i-node livre Ação: igualar o contador de referências com o número de ocorrências Sistemas Operacionais 25 Sistemas Operacionais 26 Leituras complementares R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Sagra-Luzzato, Capítulo 5, seção Capítulo 8, seções 8.5 e 8.6 A. Silberchatz, P. Galvin; Operating System Concepts. Addison- Wesley. Capítulo 11 seções 11.2 e 11.3 Sistemas Operacionais 27