Sistemas de Arquivos

Disciplina:Sistemas Operacionais

Professora: Marianne Diniz

Natal, 25 de Janeiro de 2017.

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

Roteiro

• Introdução
• Arquivos
• Diretórios
• Esquemas dos Sistemas de Arquivos
• Implementação de Sistemas de Arquivos
• Sistemas de Arquivos Compartilhados
• Cache de Blocos

Introdução

• Existe a necessidade de se armazenar informação permanentemente
  • Que precisam sobreviver ao processo que as criou
  • E podem ser acessadas de forma concorrente por vários processos
  • Normalmente, grandes volumes de informação

Arquivo

• Um arquivo  é a abstração usada para permitir essa forma de armazenamento permanente.

  • Além dos dados propriamente, arquivos têm metadados associados a si, que servem para:

• Identificar a informação armazenada;

• Definir permissões de acesso ao arquivo;

• Informar onde os dados do arquivo estão armazenados;

• Outras informações importantes para a gerência dos arquivos.

Arquivo

• Um sistema de arquivos define a forma de como o sistema operacional organiza os dados e os metadados dos arquivos em um dispositivo de armazenamento permanente.
  • Eficiência de um sistema de arquivos: manter parte das informações em memória.

    • Um sistema de arquivos define também as estruturas de dados que precisam ser mantidas em memória para esse fim.

Arquivo

• O acesso às informações armazenadas em arquivos é feito por meio de chamadas ao sistema bem definidas:
  • Read/Write
  • Open/Close
  • Get/Set (Metadados)
  • Seek
  • ...

Diretórios

• A maior parte dos sistemas de arquivos armazena os metadados em arquivos especiais chamados de diretórios
  • Os diretórios são organizados hierarquicamente, fornecendo uma árvore no qual os elementos no interior da árvore são diretórios e os elementos nas folhas podem ser arquivos ou diretórios

Diretórios

As letras indicam os donos dos diretórios e arquivos

Diretórios

• A junção de nomes de diretórios até chegar a um determinado arquivo nessa árvore define um caminho para se chegar até o arquivo partindo de algum diretório.
  • Quando o caminho começa do diretório raiz, ele é dito absoluto.
  • Quando o caminho começa de um diretório diferente do raiz, ele é dito relativo .
    

Diretórios

Nome dos caminhos

Árvore de diretórios UNIX

Esquema dos Sistemas de Arquivos

• MBR – setor 0 do disco que tem no final uma tabela indicando as partições do disco, onde começam e terminam e qual está ativa.
  • Quando o computador é iniciado, a BIOS executa o programa no MBR.
  • Ele localiza a partição ativa e executa o bloco de inicialização dela que carrega o SO contido na partição.

Esquema dos Sistemas de Arquivos

Implementação de Arquivos

• Controle de quais blocos são de determinado arquivo.
• Algumas formas:
  • Alocação contígua;
  • Alocação por lista encadeada;
  • Alocação por lista encadeada usando uma tabela na memória;
  • I-nodes;

Alocação contígua

• Armazena arquivo em blocos sequenciais no disco
• Vantagens:
  • Localização do arquivo através do endereço do primeiro bloco;
    Acesso simples e eficiente, só necessitando um seek.
• Desvantagens:
  • ​Fragmentação externa do disco.
• Usada em CDs-ROM e DVDs.

Alocação contígua

Alocação contígua do espaço em disco para 7 arquivos

Estado do disco depois dos arquivos D e F terem sido removidos

Alocação por lista encadeada

• Conjunto de blocos ligados.
• Cada bloco possui ponteiro para bloco seguinte do arquivo.
• Vantagem:
  • Não há fragmentação externa, já que os blocos não precisam estar juntos.
• Desvantagem:
  • Acesso aleatório muito lento, pois para buscar o bloco n, deve-se ler os n-1 primeiros blocos antes
  • Desperdício de espaço no bloco com o ponteiro

Alocação por lista encadeada

Armazenamento de um arquivo como uma lista encadeada de blocos de disco.

Alocação por lista encadeada com tabela na memória

• FAT – tabela de alocação de arquivos
• As palavras do ponteiro são colocadas em uma entrada na tabela
• Vantagens:
  • Todo o bloco é utilizado para dados
  • Ainda se segue o encadeamento na busca, mas como é na memória, é mais rápido
• Desvantagens:
  • A tabela inteira deve estar o tempo todo na memória
  • Não funciona para discos grandes, já que a tabela seria enorme e gastaria muita memória

Alocação por lista encadeada com tabela na memória

Alocação por lista encadeada com tabela na memória

Esquema usado pelo MS-DOS, Win95 e Win98

I-nodes

• A cada arquivo um i-node é associado
• I-node contém os atributos e endereços em disco dos blocos do arquivo
• Vantagem:
  • I-node só está na memória se o arquivo estiver aberto, logo, menos uso de memória.
• Desvantagem:
  • Se o i-node tiver tamanho fixo para endereços no disco, o que ocorre se o arquivo crescer além do limite?

Solução: usar o último bloco do disco contendo mais endereços do próprio disco e a última entrada do i-node seria indicação para esse bloco.

I-nodes

Usados por sistemas baseados no UNIX

Sistemas de Arquivos Compartilhados

• Se os diretórios tiverem os endereços de disco do arquivo, deve haver uma cópia desses endereços nos diretórios que não são donos, mas estão usando o arquivo.

• Problema: se há mudanças nos endereços de um, os outros não vão vê-las.

Sistemas de Arquivos Compartilhados

• Soluções:
  • Colocar os endereços de disco do arquivo em uma estrutura associada ao próprio arquivo e os diretórios só apontam para essa estrutura;
  • Como o Unix faz com os i-nodes;
  • Usar ligação simbólica – apenas um arquivo do tipo LINK é criado no diretório de quem quer “ver também” o arquivo;
    • O link só possui o caminho para o arquivo.
    • Quando o SO vai abrir esse arquivo, vê que é um link e abre realmente o arquivo que o caminho no link indica.

Sistemas de Arquivos Compartilhados

• Problema com a primeira solução
  • O dono continua sendo C;
  • Se, ao C apagar o arquivo, também limpar o i-node, B terá uma entrada para i-node inválido em seu diretório;
  • Solução: só remove a entrada no diretório de C, mas arquivo e i-node ficam intactos.

Sistemas de Arquivos Compartilhados

• Com ligação simbólica o problema anterior não ocorre.
  • Já que só quem realmente tem informação no diretório para o arquivo é o dono.
  • Se ele apagar o arquivo, ele é definitivamente removido.
• Problemas com ligações simbólicas.
  • Sobrecarga na busca do i-node depois de lido o link.
  • Sobrecarga na criação de i-node e bloco de disco extras para armazenar o caminho.
• Grande vantagem.
  • Pode endereçar arquivos em qualquer máquina usando o endereço de rede.

Cache de Bloco

• lSO separa uma parte da memória para fazer cache de blocos de arquivos.
• Quando um bloco vai ser usado, é logo procurado na cache.
  • Se estiver lá, ótimo, já evita o atraso de acesso ao disco.
  • Se não estiver, ele é buscado no disco e trazido para a cache.
• A cache é atualizada usando um dos algoritmos de substituição já vistos.
  • FIFO, Segunda Chance ou LRU.

Cache de Bloco

• Só que se um bloco passa muito tempo em cache e há um problema com o sistema, perdem-se várias mudanças feitas no bloco.

• Soluções:

  • SO usa uma rotina que periodicamente atualiza em disco os blocos modificados.

  • Ou sempre que um bloco é modificado, já é atualizado em disco.

    • A solução 1 é mais eficiente, mas a probabilidade de perda de dados é maior.

    • A solução 2 é menos eficiente, mas a perda é mais rara
      A solução 1 é mais usada.

Leitura antecipada de Bloco

• Tentar transferir blocos para a cache antes que sejam necessários, assim, quando o forem, eles já estarão na cache ou a caminho.

• Funciona bem para arquivos tendo acesso sequencial.

  • Já que realmente se sabe que bloco vai ser necessário depois.
• Piora o desempenho pra arquivos com acesso aleatório.

  • gasta banda de disco com blocos que não serão utilizados naquele momento.

Leitura antecipada de Bloco

• Solução

  • Um bit associado a cada arquivo diz se ele está sendo lido sequencialmente (1) ou aleatoriamente (0).

  • Todos começam com 1, se houver um seek (posicionamento), vira 0 e se começar a ser lido de modo sequencial de novo, volta para 1.

  • Daí, o sistema de arquivos verifica o bit e decide se vai ler blocos antecipadamente ou não.

Exercício de Fixação

• Como os diretórios são organizados?
• A junção de nomes de diretórios até chegar a um determinado arquivo nessa árvore define um tipo de caminho para se chegar até o arquivo partindo de algum diretório, quais são eles? Explique

Exercício de Fixação

• Explique as seguintes formas de implementar arquivos, citando as vantagens e desvantagens de cada uma:

  a. Alocação contígua

  b. Alocação por lista encadeada

  c. Alocação por lista encadeada usando uma tabela na memória

  d. I-nodes

Exercício de Fixação

• Explique as soluções para compartilhamento de arquivos e seus problemas.

Referências

• TANENBAUM, A. S.; WOODHULL, A. S.: Sistemas Operacionais, Projeto e Implementação BOOKMAN COMPANHIA ED., 3ª Edição – 2008

• MACHADO Francis Beranger; MAIA Luiz Paulo Arquitetura de Sistemas Operacionais, 4ª edição, LTC, 2007

• SILBERSCHATZ, Abraham; GALVIN, Peter Baer; GAGNE, Greg Fundamentos de Sistemas Operacionais LTC, 2010