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Sistemas operacionais. Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação. Sistema de arquivos. * Baseado no material da Profa. Maria Clicia Stelling de Castro - UERJ. Introdução. O sistema de arquivos é a parte mais visivel do SO - PowerPoint PPT Presentation
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Sistemas operacionais
Carlos Oberdan Rolim
Ciência da ComputaçãoSistemas de Informação
Sistema de arquivos
* Baseado no material da Profa. Maria Clicia Stelling de Castro - UERJMaria Clicia Stelling de Castro - UERJ
Introdução
O sistema de arquivos é a parte mais visivel do SO
Cria um recurso lógico a partir de recursos fisicos através de uma interface coerente, simples e fácil de usar
Mecanismos de armazenamento de dados e acesso a programas
Duas partes básicas
Arquivos
Armazenamento de dados e programas
Diretórios
Organização e informações de arquivos
Objetivos do sistema de arquivos
Fornecer mecanismos para o usuário manipular arquivos e diretórios
Garantir a validade e coerencia dos dados
Minimizar ou eliminar o risco de perda / alteração das informações
Otimizar o acesso
Fornecer suporte a outros sistemas de arquivos
Suporte a varios usuarios (multiprogramação)
Uso compartilhado (proteção e acesso concorrente)
Requisitos minimos: ponto de vista do usuario
Cada usuário deve ser capaz de:
Criar, apagar, ler e alterar arquivos
Controlar as permissões de acesso a seus arquivos
Nomear arquivos de forma simbólica
Estruturar os arquivos de forma a adequa-los a suas necessidades especificas
Criação de diretórios e subdiretórios
Realizar backups e restarurar em caso de perdas
Requisitos minimos: ponto de vista do sistema
O SO deve ser capaz de :
Descrever a localização de todos os arquivos e seus atributos
Via diretório
Gerenciar espaço físico de disco
Alocar blocos
Liberar blocos de arquivos removidos
Mecanismos para localizar eficientemente blocos (setores) que compoem arquivos
Arquivo: um conjunto de informações, identificado por um nome Sistema de arquivos: a parte do sistema operacional que gerencia o armazenamento de arquivos e provê facilidades de acesso a arquivos Diretório: tabela de símbolos que permite identificar informações sobre os arquivosPartição: Abstração que permite a partir do disco físico criar discos lógicos
Conceitos básicos
Conceito de Arquivo
Um arquivo é um espaço de endereçamento lógico e contíguo.
Tipos:
Dados
númerico
caracter
Binário
Programa
Estrutura do Arquivo
Nenhuma - seqüência de palavras ou bytes.
Estrutura de Registros Simples
Linhas
Tamanho Fixo
Tamanho Variável
Estruturas Complexas
Formatado por Documento
Quem decide o formato do arquivo é o criador do mesmo (usuário, sistema
operacional, operador).
Atributos do Arquivo
Nome
Tipo
Localização
Tamanho
Proteção
Data, hora e identificador de usuário
Informações sobre os arquivos são mantidas em estruturas de diretórios, as quais são mantidas em um disco.
Operações em Arquivo
Criação
Escrita
Leitura
Reposicionamento de ponteiro dentro do arquivo
Remoção
Abertura
Fechamento
Armazenamento
Meios físicos de armazenamento comuns: fitas
magnéticas e discos
Organização de disco: superfícies, trilhas e setores
Armazenamento
Gerenciamento de Espaço em Disco
O sistema de arquivos deve ser capaz de: controlar a área de espaço livre nos discos: SO possui uma lista de espaços livres utilizar métodos de acesso às informações: modo seqüencial ou direto utilizar métodos de alocação que sejam convenientes e eficientes: métodos contíguo, encadeado ou indexado
Lista de Espaços Livres
Registra o endereço de todos os blocos que estão livres no disco
mapa de bits: sistema de arquivos mantém um vetor de bits, com um bit para cada bloco de disco Exemplo:
00111011 os blocos 0, 1 e 5 estão livres mapa de bits permite controle mais compacto dos blocos de disco livres
Lista de Espaços Livres
lista encadeada: sistema de arquivos mantém uma lista encadeada de blocos, a lista possui o ponteiro do primeiro bloco e
cada bloco contém um ponteiro para o próximo bloco livre o ponteiro dos n blocos livres são armazenados no primeiro bloco. Se necessário, última posição do bloco é o ponteiro para outro bloco contendo ponteiros para outros n blocos livres número n de blocos livres contíguos
Métodos de Acesso
Seqüencial: blocos acessados em ordem
Direto: o arquivo é visto como uma seqüência numerada de blocos
bloco
tamanho fixo, definido pelo SO
pode ser lido ou escrito aleatoriamente
Organização de arquivos
Problema:
Como armazenar diversos arquivos dentrode um único vetor de blocos lógicos ?
Cada arquivo também deve ser visto comouma seqüência de blocos lógicos.
Restrições:
flexibilidade de alocação
rapidez de acesso (seqüencial e aleatório)
eficiência no uso do espaço real em disco
Organização de arquivos
0 1 2 3 4 5 6 7
?
readme.txt
0 1 2
prova.doc
0 1 2 3 4 5 6 7
aula.pdf
0 1 2 3 4
Dispositivofísico
Vetor deblocoslógicos
Arquivos
Técnicas de alocação
Formas de mapear os blocos dos arquivos em posições no vetor de blocos lógicos
Alocação contígua de arquivos
Alocação em listas encadeadas
listas diretas ou listas indexadas
Alocação indexada
Alocação contígua de arquivos
Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos lógicos consecutivos.
Não há blocos vazios entre os blocos de um mesmo arquivo.
Para cada arquivo, o diretório informa seu bloco de início e o no de blocos.
Alocação contígua
readme.txt 010 003
prova.doc 002 008
Aula.pdf 017 005
arquivo inicio #blocos
0 1 2 3 4 5 6 7
Alocação contígua
Alocação contígua
Vantagens:
Simplicidade de implementação.
Rapidez de acesso aos arquivos:
todos os blocos do arquivo estão próximos.
Facilidade de acesso seqüencial e aleatório:
sequencial: basta ler os blocos consecutivos
aleatório: posições internas podem ser facilmente calculadas a partir da posição do bloco inicial.
Alocação contígua
Desvantagens:
Pouca flexibilidade no crescimento dos arquivos.
Tamanho máximo do arquivo deve ser conhecido no momento da alocação.
Ocorrência de fragmentação externa.
Necessidade de desfragmentação periódica.
Fragmentação externa
Espaços vazios entre blocos de arquivos.
À medida que o sistema evolui:
arquivos são criados e removidos
mais espaços vazios aparecem.
os espaços vazios ficam menores.
Alocar novos arquivos torna-se difícil !
Evolução da fragmentação
t
aloca aloca
aloca aloca
Agora, como alocar um arquivo com 4 blocos ?
remove remove
remove
Desfragmentação
Mover arquivos para reagrupar os fragmentos em espaços maiores
Visa permitir alocar arquivos maiores
Deve ser feita periodicamente
Uso de algoritmos para minimizar movimentação de arquivos (rapidez)
Estratégias de desfragmentação
Situação inicial
Moveu 6 blocos
Moveu 4 blocos
Moveu 2 blocos
Estratégias de alocação
First-fit: usar o primeiro espaço livre
maior rapidez de alocação
pouca preocupação com fragmentos
Best-fit: usar o menor espaço livre
usar o melhor possível os espaços em disco
fragmentos residuais são pequenos
Worst-fit: usar o maior espaço livre
fragmentos residuais são maiores (mais úteis)
Alocando um arquivo c/ 2 blocos
Worst-fit
Best-fit
First-fit
Situação inicial
Alocação encadeada
Os arquivos são armazenados como listas de blocos
cada bloco aponta para o próximo
diretório aponta para o bloco inicial
os blocos podem estar espalhados
Base de funcionamento da FAT
sistema de arquivos Windows
Alocação encadeada
readme.txt 010 003
prova.doc 002 008
Aula.pdf 017 005
arquivo inicio #blocos
Alocação encadeada
Alocação encadeada
Vantagens
não há fragmentação externa
todo o disco pode ser usado
tamanho dos arquivos pode ser mudado facilmente
Desvantagens
acesso aleatório é mais demorado
maior fragilidade em caso de problemas
Alocação indexada
Baseada em tabelas de blocos
um bloco especial guarda a tabela de blocos do arquivo: index-node (i-node)
diretório aponta para os i-nodes
blocos podem estar espalhados
Base de funcionamento do UNIX
• Os INODES contêm informações a respeito de arquivos e diretórios no sistema de arquivos. • A única coisa que inode não contém é onome do arquivo. • O INODE contém informações sobre as permissões do arquivo, contagem de links, blocos duplicados, blocos ruins, associações de tamanho, e ponteiros para os blocos de dados.• O INODE possui também apontadores para os blocos de dados dos arquivos.• EX:Solaris , cada INODE possui 16 destes apontadores. Os apontadores de 0 a 11 apontam para os 12 primeiros blocos de dados do arquivo (blocosdiretos). Os apontadores 12 e 13 apontam para blocos indiretos
Alocação indexada
Alocação indexada
readme.txt 010 003
prova.doc 002 008
Aula.pdf 017 005
arquivo inicio #blocos
I-node
Alocação Indexada
Alocação indexada
Vantagens
não há fragmentação externa
todo o disco pode ser usado
acesso rápido
robustez em caso de problemas
Desvantagens
gerência mais complexa
espaço em disco perdido com os i-nodes
Fragmentação interna
Arquivos são alocados em blocos:
Os blocos têm tamanho fixo.
Entre 512 bytes e 8 Kbytes.
Um bloco não pode ser alocado parcialmente.
Se usarmos blocos de 4096 bytes:
um arquivo de 5700 bytes ocupará 2 blocos.
2492 bytes serão perdidos no último bloco.
Em média, perde-se 1/2 bloco por arquivo.
Tamanho dos blocos
A escolha do tamanho dos blocos é importante para a eficiência do sistema.
Blocos pequenos:
menor perda por fragmentação interna
mais blocos por arquivo: maior custo de gerência
Blocos grandes:
maior perda por fragmentação interna
menos blocos por arquivo: menor custo de gerência
Sistema de Diretórios Acesso à arquivos a partir do nome Mapeamento: nome do arquivo x blocos diretório Diretório arquivo especial, armazena
registros de tamanho fixo = entradas de diretório informações relacionadas
ao dispositivo físico: nome, localização, tamanho, modo de alocação à organização lógica: nome, tipo do arquivo,
proprietário, código de proteção Outras informações: posição corrente, proteção,
contabilidade de uso, tempo, data, identificação do processo
Sistema de Diretórios
Operações realizadas num diretório busca, criação, remoção, listar conteúdo, cópias para backup
Estruturas de diretório organizam os arquivos presentes no sistema
Diretório de um Único Nível
diretório
arquivos
Diretórios de Dois Níveis Cada usuário tem seu próprio diretório de arquivo de usuário (UFD) Cada diretório de usuário tem uma estrutura similar Diretório de arquivo mestre (MFD) Isola usuários
Problema: compartilhamento de arquivos, se for permitido path name
a cat bo a a xcat y
user 1 user 2 user 3MFD
UFD
Diretório Estruturado em Árvore
Possui um diretório raíz Diretórios dos usuários são intermediários Podem criar seus próprios subdiretórios e organizar seus arquivos raiz bin progspell
mail copy maila a p
prt exp last firstx
test
Diretório Estruturado em Árvore
Path name completo: define o caminho da raíz ao arquivo relativo: define o caminho do diretório corrente ao arquivo
Apagar diretório depende da política de decisão só se diretório estiver vazioAssumir que deve apagar todos os arquivos e subdiretórios que estiverem contidos Default: não há compartilhamento de arquivos ou subdiretórios
Diretório em Grafo Acíclico
Permite compartilhamento de arquivos e subdiretórios Generalização do esquema de diretório estruturado em árvore
raiz spell dict
a x list mail pr list word
rad w7 count
Diretório em Grafo Acíclico
Compartilhamento pode ser implementado por link: é criado um ponteiro,para outro arquivo ou subdiretório duplicar informações: pode gerar inconsistências de informação lista de referências ao arquivo: entradas no diretório ou links simbólicos
Diretório em Grafo Acíclico
Eliminação de um arquivo ou diretório retirada do link: não afeta o arquivo, arquivo ou diretório é eliminado se todos os links forem removidos retirada da referência da lista de referências
arquivo só é eliminado quando a lista estiver vazia é preciso somente de um contador de referências, se contador = 0, arquivo pode ser eliminado
Diretório em Grafo Geral
Permite a formação de ciclos, existe diversos caminhos para um mesmo arquivo ou diretório Estruturas semelhantes as do grafo acíclico para o compartilhamento Garbage Collection
raiz spell dict
a x list mail pr list word
rad w7 list word
hyp
Proteção de Arquivos
Contra danos físicos (confiabilidade) acessos impróprios (proteção)
Confiabilidade: cópia de arquivos com intervalos regulares Proteção resultado direto da habilidade de acessar arquivos
Proteção de Arquivos
Níveis de Proteção de Sistemas não permitem o acesso a outros usuários, não precisam de proteção (default) têm proteção completa, proibindo o acesso têm livre acesso sem nenhuma proteção
Abordagens muito extremas Proteção através de um controle de acesso
Proteção de Arquivos
Proteção através de controle de acesso login + senha (password) dependendo da operação sobre arquivos
leitura, escrita e execução têm livre acesso sem nenhuma proteção Usuários com necessidades de acesso diferentes lista de acesso associada a cada arquivo ou diretório
Proteção de Arquivos
Lista de acesso pode ser muito grande dependendo da forma de implementação Redução do tamanho da lista
operações de leitura, escrita e execução classificação dos usuários em grupos proprietário: usuário que criou o arquivo grupo: vários usuários que compartilham e necessitam de acesso similar ao arquivo universo: todos os outros usuários
Proteção de Arquivos
Classificação: três campos para definir a proteção Cada campo = coleção de bits que controlam o acesso, a cada bit está associado uma permissão Exemplo: Unix like
três campos com três bits ( 0 = negado, 1 = permitido)
r = acesso de leitura w = acesso de escrita x = acesso de execução
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