Sistema de Arquivos

Ambientes OperacionaisProf. Simão Sirineo Toscani

stoscani@inf.pucrs.brwww.inf.pucrs.br/~stoscani

Gerência de Arquivos

É um dos serviços mais visíveis do SO. Arquivos são normalmente implementados a

partir de discos magnéticos. Como um acesso a disco demora cerca de

10000 vezes mais que um acesso à memória, são necessárias estruturas de dados e algoritmos que otimizem os acessos ao disco.

Arquivo

Coleção de dados relacionados entre si Referenciados através de nomes Possuem atributos como:

• tipo

• momento da criação

• tamanho

• nome do criador

Tipos de Arquivos

Cada arquivo possui uma estrutura interna, conforme sua aplicação:• Um arquivo texto (.doc) é composto por uma

sequência de caracteres organizados em linhas e parágrafos

• um programa executável é uma seqüência de bytes representando instruções em código de máquina

• um programa fonte é uma seqüência de caracteres que representam comandos de uma linguagem de programação (arquivos tipo “somente texto”, que não admitem qualquer tipo de formatação especial)

Sistemas Baseados em Fita

Inicialmente, cada arquivo era gravado em uma única fita. Haviam dois problemas:• Arquivos muito grandes não cabiam em uma fita

• Arquivos pequenos geravam desperdício de espaço

Criação de sistemas multi-volume, para suprir necessidades de arquivos grandes

Utilização de diretórios permitiram armazenar diversos arquivos em uma única fita

Sistemas Baseados em Fitas

Diretório: criado para localizar a partição em que se encontra cada arquivo na fita.

Cada entrada do diretório contém um nome de arquivo e sua posição na fita.

Sistemas Baseados em Fita Leitura de arquivo:

• localizar e carregar a fita indicada pelo usuário

• localizar no diretório a entrada correspondente ao arquivo

• posicionar a fita no ponto correspondente ao início do arquivo

• iniciar a leitura

• terminar a leitura quando encontrar a marca de fim de arquivo

Sistemas Baseados em Disco

Um disco é dividido em trilhas O número de trilhas é particular de cada

dispositivo Cada trilha dividida em setores Setor a menor unidade de informação

que pode ser lida ou escrita em um disco

Sistemas Baseados em Disco

Acesso a um setor:• informar face, trilha e setor desejado

• as cabeças de leitura e gravação são deslocadas até a trilha correta (tempo de seek),

• o cabeçote da face correta é selecionado eletronicamente

• esperar até o setor desejado passar por baixo do cabeçote (tempo de latência)

Sistemas Baseados em Disco

Normalmente, uma unidade de disco rígido é formada por vários discos superpostos (no máximo 8 discos, com a tecnologia atual)

Cilindro: é formado pelas trilhas que estão na mesma posição, porém em diferentes faces (no caso de 8 discos superpostos cada cilindro é formado por 16 trilhas).

Não é necessário deslocar as cabeças para acessar trilhas de um mesmo cilindro

Sistemas Baseados em Disco

Hoje em dia, o SO trata o disco como um vetor de blocos, cada bloco corresponde a um setor.

Vantagem do disco sobre a fita:• possibilidade de acessar facilmente qualquer

setor a qualquer momento (a fita permite apenas o acesso seqüencial)

Sistemas Baseados em Discos

Os discos possuem diretórios Os diretórios são armazenados no

próprio disco, normalmente em um endereço fixo

Isto possibilita a remoção do disco sem perda das informações correspondentes aos arquivos

Suporte a Arquivos

Chamadas de sistema permitem as seguintes operações sobre arquivos:• criar um arquivo

• escrever no arquivo

• ler o arquivo

• remover o arquivo

• reposicionar o ponto de acesso ao arquivo

Operações em Arquivos

Criar um arquivo:• necessita de dois passos:

• encontrar e alocar espaço suficiente no disco,

• adicionar uma entrada no diretório para conter as informações referentes ao arquivo (nome, localização, ...)

Operações em Arquivos

Escrever no Arquivo:• para escrever em uma arquivo o usuário deve

fornecer o nome do arquivo e o bloco com a informação a ser escrita

• O SO procura a localização do final do arquivo no disco, escreve o bloco e atualiza o ponteiro de final de arquivo

Operações em Arquivos

Ler o Arquivo:• o usuário executa uma chamada de sistema

fornecendo o nome do arquivo e a posição da memória principal para onde as informações do bloco serão copiadas

Operações em Arquivos

Remover o Arquivo:• pesquisa o diretório e remove a entrada

correspondente ao arquivo. Libera o espaço em disco ocupado pelo arquivo

Operações em Arquivos

Reposicionar o arquivo:• consiste em localizar a entrada no diretório

correspondente ao arquivo e modificar o valor do ponteiro que indica a posição corrente do arquivo

Operações em Arquivos

Todas as operações sobre um arquivo envolvem uma pesquisa no diretório em busca da entrada correspondente ao arquivo desejado.

Cada entrada do diretório corresponde a um descritor de arquivo

O descritor contém todas as informações necessárias para a manipulação do arquivo

Tabela de Descritores de Arquivos Abertos (TDAA)

O acesso a um arquivo é feito através do seu descritor

Para evitar a pesquisa freqüente ao disco, o SO mantém na memória uma Tabela de Descritores de Arquivos Abertos

O arquivo é aberto quando ele começa a ser utilizado (desse modo, todas as informações sobre os arquivos em uso são mantidas na memória principal)

TDAA e TAAP

Um mesmo arquivo pode ser utilizado simultaneamente por vários processos (i.é, uma mesma entrada da TDAA pode ser utilizada por vários processos)

Por isso, cada entrada da TDAA contém uma indicação de quantos processos estão utilizando o arquivo correntemente

O mesmo arquivo pode estar sendo acessado por diferentes processos em pontos diferentes e com direitos de acesso diferentes

Por isso, cada processo contém uma tabela extra com informações apenas sobre os arquivos abertos por esse processo. Essa tabela é denominada Tabela de Arquivos Abertos por Processo (TAAP)

Tabela de Arquivos Abertos por Processo (TAAP)

No mínimo, a TAAP contém em cada entrada as seguintes informações:• Posição corrente no arquivo;

• Tipo de acesso (apenas leitura ou leitura e escrita);

• Apontador para a entrada correspondente na TDAA.

TDAA e TAAP

TDAAPos. Cor. 12Leitura

TAAP do processo 0

Pos. Cor. 10Leitura

TAAP do processo 1

Pos. Cor. 55Leit. & Escr.

Arquivo A

Arquivo B

0

1

2

3

0

2

2 4

0

1

0

Tanto a TDAA como as TAAP devem ficar na memória do sistema operacional, fora do acesso dos processos de usuário.

Métodos de Acesso

Acesso seqüencial Acesso direto Acesso indexado

Acesso Seqüencial

Uma leitura sempre acessa o próximo registro e avança um ponteiro sobre o arquivo

O ponteiro indica qual a próxima posição a ser lida ou escrita

Acesso Seqüencial

Arquivo

A

B

C

D

E

F

Ler Arquivo

...

A

Ler Arquivo

B

Ler Arquivo

C

Acesso Direto

O arquivo é uma seqüência numerada de registros (blocos)

Qualquer registro pode ser diretamente lido ou escrito

Acesso Direto

Arquivo

A

B

C

D

E

F

Ler Arquivo, posição 2

...

C

Ler Arquivo, posição 4

E

Ler Arquivo, posição 0

A

Acesso indexado

Envolve a construção de índices nos descritores de arquivos

Usa como base o serviço de acesso direto

Gerência do Espaço Livre

Espaço em disco é limitado, por isto é necessário reaproveitar todo o espaço disponível

Lista de setores livres: mantida pelo SO para controlar os espaços livres no disco

Métodos de Alocação

Contígua Encadeada Indexada

Alocação Contígua

Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos (setores) contíguos no disco

Para localizar um arquivo basta saber o número do primeiro setor e o tamanho do arquivo em blocos

Para acessar o arquivo de forma seqüencial, o SO mantém o número do último bloco acessado

Alocação Contígua

Dificulta o processo de localizar espaço livre para novos arquivos

Usa os algoritmos:• first-fit: utiliza o primeiro espaço grande o

suficiente que for encontrado

• best-fit: utiliza espaço livre que deixa a menor sobra

• worst-fit: maior sobra

Alocação Contígua

No momento da criação, é difícil determinar o número de blocos a serem alocados para o arquivo

É difícil aumentar o tamanho do arquivo

Alocação Encadeada

Cada arquivo corresponde a uma lista encadeada de blocos, estando os mesmos em qualquer local do disco

Diretório possui apenas o endereço do bloco inicial e o número de blocos (ou endereço do último bloco)

Cada bloco possui o endereço do bloco seguinte (ponteiros associados a cada bloco)

Alocação Encadeada

Os arquivos podem ser criados com tamanho zero

Inserções em arquivos resultam na retirada de blocos da lista de livres e inserção dos mesmos na lista que forma o arquivo

Alocação Encadeada

Não permite acesso direto a um bloco Eficiente na implementação de acesso

seqüencial Não confiável: caso ocorra algum

problema com um bloco, boa parte do arquivo é perdida, pois cada bloco possui um link para o setor seguinte

Alocação Indexada

Cada arquivo possui um bloco de índices O diretório possui o endereço do bloco de

índices de cada arquivo Para acessar um bloco específico do arquivo

é necessário acessar o bloco de índices para determinar o seu endereço físico no disco

Os arquivos podem ser criados com tamanho zero

Alocação IndexadaDisco

BlocoFísico

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

11

13

BL 0

BL 1

BL 2

BL 3

BL 4

BL 5

Descritor

Indices:

Tamanho: 6

8

5

1

7

11

30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Alocação Indexada

Permite acesso direto Ocupa-se um setor inteiro para índices Para arquivos grandes são necessários

vários setores de índices

Tamanho da tabela de índices Uma questão importante é o tamanho da tabela de

índices. O número de entradas na tabela define o tamanho máximo de um arquivo no sistema.

Se cada bloco físico tem 4 Kbytes, para que o tamanho máximo de um arquivo seja 4 Gbytes, é necessário uma tabela de índices com “4 Gbytes ÷ 4 Kbytes” entradas, ou seja, 1.048.576 entradas (o que é um exagero)

Por outro lado, uma tabela de índices com apenas 5 entradas seria suficiente para um arquivo de 20 Kbytes (este é o tamanho médio dos arquivos em sistemas de propósito geral)

Tamanho da tabela de índices

A solução típica que compatibiliza eficiência na representação de arquivos pequenos e tamanho máximo satisfatório para arquivos grandes é empregar níveis de indireção na indexação.

O slide a seguir mostra o uso de índices (apontadores diretos e indiretos) no sistema Unix

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

... ...

Bloco de dados (4 Kbytes)

... Bloco de apontadores

( 1024 apontadores de 4 bytes)

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

1024 * 4K

1024 * 1024 * 4K

...

...

1024 * 1024 * 1024 * 4K

...

10 * 4K

... ...

Sistema de Diretórios

Diretório de nível único Diretório de dois níveis Diretórios em forma de árvore

Diretório de Nível Único

Todos os arquivos fazem parte do mesmo diretório

Problemas de organizaçãono caso de muitos arquivos. É necessário nome único para cada arquivo

Diretório de Dois Níveis

Criam-se diretórios separados para cada usuário

No diretório principal mantem-se apenas os endereços dos diretórios dos usuários

Proteção contra acessos indevidos

Diretórios Estruturados em Árvore

Os usuários podem criar seus próprios sub-diretórios para organizar seus arquivos

A árvore possui um diretório raiz Cada arquivo possui um pathname

(nome do arquivo composto pelos nomes de diretórios que formam o caminho da raiz até ele)

Formas de Implementar Diretórios

Basicamente, um diretório contém um conjunto de descritores (que apontam para outros diretórios ou para arquivos de dados)

A forma mais simples de implementar diretórios é considerá-los como arquivos especiais, cujo conteúdo é manipulado pelo próprio SO

Diretórios passam a ser arquivos cujo conteúdo é definido pelo SO e cujo acesso, por parte de usuários, é controlado

Formas de Implementar Diretórios

Um diretório pode ser organizado na forma de:• um conjunto de descritores de arquivos

• um conjunto de endereços de descritores de arquivos

Diretório organizado como um conjunto de descritores de arquivos

O diretório contém diretamente os registros descritores (de arquivos ou diretórios)

Desvantagens:• (1) os nomes ficam fortemente vinculados aos

descritores de arquivos (impede, p.ex., que se use mais de um nome para um mesmo arquivo);

• (2) os diretórios tendem a ser maiores e estão mais sujeitos a inconsistências, pois estão espalhadas por todo o disco.

Diretório organizado como um conjunto de descritores de arquivos

"etc"

"usr"

"bin"

atributoslocalização

atributoslocalização

atributoslocalização

conteúdo doarquivo "/usr"

conteúdo doarquivo "/bin"

"passwd"

"hosts"

atributoslocalização

atributoslocalização

conteúdo doarquivo "/etc/passwd"

conteúdo doarquivo "/etc/hosts"

(retângulos de cantos agudos representam diretórios e retângulos de cantos arrendodados representam arquivos de dados)

Diretório organizado como um conjunto de endereços de descritores

Cada entrada do diretório contém um par: um nome de arquivo (ou de diretório) e um ponteiro para o descritor correspondente

Neste esquema, é comum reservar uma parte do disco para armazenar exclusivamente os descritores de arquivos

Esses blocos reservados constituem um vetor de descritores, no qual cada descritor pode ser perfeitamente identificado pela posição nesse vetor.

Diretório organizado como um conjunto de endereços de descritores

"etc"

"usr"

"bin"

2

3

conteúdo doarquivo "/usr"

conteúdo doarquivo "/bin"

"passwd"

"hosts"

4

5

conteúdo do "/"

conteúdo do "/etc"

atributoslocalização

atributoslocalização

atributoslocalização

atributoslocalização

atributoslocalização

atributoslocalização

0

1

2

3

4

5

conteúdo doarquivo "/etc/passwd"

conteúdo doarquivo "/etc/hosts"

1

sistema de arquivos flat

Supõe-se que o primeiro descritor do vetor de descritores (índice 0) descreve o diretório raiz da árvore

Proteção dos Arquivos

Confiabilidade: é proteção física• obtêm-se criando cópias dos arquivos

Proteção: é precaução contra acessos indevidos• obtêm-se impossibilitando o acesso por

outros usuários

• tipos de acesso: leitura, gravação e execução (envolvem acesso a arquivo); criação e remoção (envolvem acesso a diretório)

Questões de Implementação Definição de como o sistema de arquivos vai

ser visto pelo usuário (conjunto de arquivos lógicos): • definição de arquivos e seus atributos• operações permitidas• estrutura de diretórios

Definição dos algoritmos e estruturas de dados a serem usados para mapear o sistema de arquivos lógicos nos dispositivos físicos utilizados pelo sistema de arquivos

Questões de Implementação

Conceitualmente, um sistema de arquivos é dividido em três níveis de serviço:• serviço de disco

• serviço de arquivo básico

• serviço de de diretório

Níveis de Serviço

Serviço de disco: responsável pela leitura e escrita de setores diretamente no disco, sem se preocupar com a organização dos arquivos

Serviço de arquivo básico: lida com a abstração de arquivos, compostos por um conjunto de registros (blocos). Operações básicas do tipo leitura e escrita a partir de uma determinada posição do arquivo

Níveis de Serviço

Serviço de diretório: preocupa-se com a identificação e proteção de arquivos descritos a partir de diretórios, de forma que eles sejam acessados de forma segura e conveniente.

Os diretórios mapeiam nomes simbólicos em identificadores numéricos utilizados pelo serviço de arquivos (camada de baixo)

Níveis de Serviço

Serviço de Disco

Serviço de Arquivo Básico

Serviço de Diretório

Usuários

FIM