Sd01 (si) sistemas de arquivos
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O documento discute sistemas de arquivos em sistemas distribuídos. Apresenta os problemas iniciais de armazenamento de informação apenas na memória e introduz o conceito de arquivos. Descreve estruturas e atributos de arquivos, operações com arquivos e diretórios, e sistemas de arquivos baseados em discos.
Sd01 (si) sistemas de arquivos
- 1. Sistemas Distribuídos Parte 1 Sistemas de Arquivos Professor Eduardo Xavier
- 2. Introduçao • Os primeiros computadores executavam seus programas contando exclusivamente com a informação carregada na memória primária. • Que problemas essa abordagem causava? – O espaço de endereçamento de cada processo que estava executando era muito limitado em seu tamanho. Por vezes, aplicações muito grandes não cabiam inteiramente na memória. – Quando o processo terminava, toda a informação que ele manipulava era eliminada da memória junto com o mesmo. Professor Eduardo Xavier
- 3. Introduçao • Outros problemas: – Falhas no funcionamento do hardware comprometiam a informação manipulada. – Múltiplos processos precisavam acessar uma determinada informação (ou apenas parte dela) ao mesmo tempo e isso não era possível, pois cada processo tinha seu próprio espaço de endereçamento protegido do acesso dos demais. • A solução para todos estes problemas era uma só: tornar a informação independente dos processos que a manipulavam – Assim nasceu o conceito de ARQUIVO Professor Eduardo Xavier
- 4. Arquivos • Para resolver os problemas já citados, os arquivos devem atender a alguns requisitos essenciais: – Conseguir suportar grandes capacidades de armazenamento – Garantir a “persistência” da informação, ou seja, providenciar que a informação sobreviva ao término do processo – Suportar acesso compartilhado da informação por múltiplos processos simultaneamente Professor Eduardo Xavier
- 5. Arquivos • Os arquivos são gerenciados pelo sistema operacional no que diz respeito a: – Estrutura de armazenamento – Identificação (nomeação e outras características) – Proteção (garantia de integridade) – Uso (como pode ser manipulado) – Acesso (controle de quem e como pode ter acesso) – Implementação (como manipular a estrutura de armazenamento) • A parte do SO que cuida disso chama-se “Sistema de Arquivo” Professor Eduardo Xavier
- 6. Sistemas de Arquivos Professor Eduardo Xavier
- 7. Nomeação de Arquivos • Cada sistema operacional tem regras próprias para definir o que é válido e o que não é aceito na definição de um nome válido para seus arquivos. – A ideia básica é possibilitar que diversos processos possam acessar um certo conjunto de dados usando apenas a identificação deste conjunto (um nome) – Assim, os processos deixam de preocupar com a forma de armazenamento destes dados ou com o funcionamento do hardware onde estão hospedados Professor Eduardo Xavier
- 8. Nomeação de Arquivos • Extensões de arquivos – Parte do nome do arquivo que indica alguma característica específica daquele tipo de arquivo – Não é algo obrigatório na maioria dos sistemas operacionais modernos e seu objetivo é apenas facilitar o uso do arquivo Professor Eduardo Xavier
- 9. Nomeação de Arquivos • Alguns Exemplos: Professor Eduardo Xavier
- 10. Estruturas de Arquivos • O sistema operacional normalmente não sabe (e nem precisa saber) qual o conteúdo de cada arquivo. – O que o SO “vê” é apenas um conjunto de bytes. – Dessa forma, a manipulação do arquivo ganha flexibilidade Professor Eduardo Xavier
- 11. Estruturas de Arquivos • As estruturas de arquivos mais comuns são: – Sequência de bytes • É a estrutura mais flexível – Sequência de registros • Cada registro é um bloco de tamanho fixo de bytes – Árvore de registros • Cada “folha” (registro) pode ter um tamanho diferente • Cada registro possui em uma posição fixa um campo- chave pelo qual a árvore se liga e é ordenada Professor Eduardo Xavier
- 12. Estruturas de Arquivos Professor Eduardo Xavier Seqüência de Bytes Seqüência de Registros Árvore de Registros
- 13. Tipos de Arquivos • Os sistemas operacionais costumam suportar diversos tipos de arquivos, mas geralmente eles se dividem em dois grupos: – Arquivos regulares • São arquivos que contém informações dos usuários • Podem ser: – Arquivos de texto » Linhas de texto em código ASCII – Arquivos binários » Conjunto de códigos binários cuja estrutura interna é conhecida apenas pelos programas projetados para manipular estes arquivos » O que chamamos de arquivos EXECUTÁVEIS são arquivos binários codificados em um formato reconhecido pelo SO sem ajuda de nenhum outro programa – Diretórios • Arquivos de controle que contém parte da estrutura suportada pelo sistema de arquivos Professor Eduardo Xavier
- 14. Acesso a Arquivos • Os primeiros computadores e seus sistemas operacionais só suportavam acessos a seus arquivos de forma sequencial – Exemplos: fitas magnéticas, cartões perfurados, impressoras,... • Com o surgimento dos discos magnéticos, o acesso aleatório passou a ser mais frequente, em virtude das novas aplicações que surgiram com a nova tecnologia (ex: bancos de dados) – Nos primeiros modelos, o tipo de acesso ao arquivo era definido quando o mesmo era criado, ou seja, ao criar um novo arquivo seu dono definia se este seria acessado de forma sequencial ou aleatória – Hoje em dia, todos os arquivos são criados permitindo- se o acesso aleatório (porém o acesso sequencial também é suportado em alguns casos) Professor Eduardo Xavier
- 15. Atributos • Atributos são itens informativos sobre determinado arquivo, mas que não fazem parte dos dados. • Alteração da informação contida nos atributos – Alguns atributos são informações fixas, como a data de criação do arquivo. – Outros podem ser modificados pelo SO, a exemplo da data da última alteração no arquivo – Existem ainda atributos que podem ser alterados pelo próprio usuário, de acordo com sua conveniência. Exemplo: permissões de acesso ao arquivo • Dependendo do sistema de arquivos, os atributos podem variar, embora alguns deles sejam praticamente “padrões de mercado”, como identificação do dono, tamanho do arquivo, data de criação e informações de proteção. Professor Eduardo Xavier
- 16. Exemplos de Atributos Professor Eduardo Xavier
- 17. Operações com Arquivos • O sistema de arquivos é responsável por prover uma série de system calls ou primitivas que permitam a manipulação dos arquivos gerenciados • As system calls mais comuns são: – Create: Cria o arquivo e estabelece os primeiros atributos básicos – Open: Carrega o arquivo na memória e lê certos atributos para definir como o mesmo será manipulado – Seek: Procura determinado ponto no arquivo – Read: Lê o arquivo (geralmente de forma sequencial) a partir de determinado ponto – Write: Escreve dados no arquivo (existe uma variação chamada “append” que indica que o dado será adicionado ao final do arquivo) – Get/Set atributes: Recupera/Altera o valor de certos atributos – Close: Remove qualquer controle ou informação que indique que o arquivo está sendo usado (isso foi estabelecido no “open”) – Delete :Apaga o arquivo Professor Eduardo Xavier
- 18. Diretórios • Diretórios são uma forma de organizar os diversos arquivos contidos em um armazenamento secundário • São estruturas de dados que contém entradas associadas a cada arquivo • A estrutura dos diretórios foi evoluindo desde os primeiros computadores até hoje. Podemos destacar 3 grandes passos: – Sistemas de Diretório em Nível Único – Sistemas de Diretório em Dois Níveis – Sistemas de Diretório em Hierárquicos Professor Eduardo Xavier
- 19. Sist. de Diretórios em Nível Único • Cada entrada possui os atributos de um determinado arquivo • É a solução mais antiga – muito usada nos primeiros computadores • Embora mais simples de implementar, é uma alternativa muito limitada • Seu maiores problemas são: – Não permitir dois arquivos com o mesmo nome – Cada usuário conhece os arquivos dos demais Professor Eduardo Xavier
- 20. Sist. de Diretórios em Nível Único Professor Eduardo Xavier Diretório Arquivos Arquivo 1 Arquivo 2 Arquivo 3 ... Arquivo N
- 21. Sist. de Diretórios em Dois Níveis • Para cada usuário do sistema existe um diretório particular que gerencia seus arquivos, chamdo UFD (User File Directory) • Em um nível acima dos UFDs, existe outro diretório que os controla, chamado MFD (Master File Directory) que é indexado por usuário • Para localizar um arquivo, é preciso saber qual o caminho (PATH) necessário para chegar até ele • Para evitar que arquivos de uso comum sejam duplicados desnecessariamente: – Cria-se um UFD especial onde todos os usuários têm acesso (OBS: podem haver vários) – O sistema procura qualquer arquivo primeiramente no diretório corrente e, caso não ache, procura nesse diretório especial
- 22. Sist. de Diretórios em Dois Níveis Professor Eduardo Xavier UFDs Arquivos Arquivo 1 Arquivo 2 Arquivo 3 Arquivo 1 Arquivo 2 Arquivo 1 Arquivo 2 Usuário 1 Usuário 2 ... Usuário NMFD
- 23. Sist. de Diretórios Hierárquico • É uma organização em árvore, criada a partir de uma extensão da idéia dos sistemas de diretórios em dois níveis, que permitiu mais organização e flexibilidade • Neste sistema, é possível criar quantos diretórios se queira e cada um pode conter arquivos e outros diretórios • Cada arquivo possui um PATH único que descreve como chegar até ele a partir do MDF • O MDF não agrupa mais entradas por usuário e sim por diretórios • A grande maioria dos sistemas operacionais modernos adota este sistema de diretórios Professor Eduardo Xavier
- 24. Sist. de Diretórios Hierárquico Professor Eduardo Xavier UFDs ... Arquivo ...MFD Diretório DiretórioArquivo Diretório Arquivo DiretórioDiretório Arquivo Arquivo Arquivo Arquivo Arquivo
- 25. Operações com Diretórios • As system calls para gerenciamento de diretórios variam mais de sistema para sistema que as chamadas para gerenciamento de arquivos • Alguns exemplos de system calls do sistema UNIX: – Create: Cria um diretório vazio, exceto pelo “.” e pelo “..” – Delete :Apaga o diretório (só funciona para diretórios vazios) – OpenDir: “Abre” o diretório deixando o mesmo pronto para manipulação – CloseDir: “Fecha” o diretório – ReadDir: Lê a próxima entrada de um diretório previamente aberto – Rename: Altera o nome de um diretório – Link: Efetua uma “ligação” que permite que um arquivo seja visualizado em mais de um diretório – Unlink: Remove uma entrada do diretório. Se o arquivo “desligado” estiver presente apenas em um diretório o mesmo será apagado. Se estiver em visível em mais de um diretório apenas a ligação será desfeita Professor Eduardo Xavier
- 26. Sistemas Baseados em Disco • Cada unidade de disco magnético contém os seguintes componentes básicos: – Diversos discos com faces magnetizáveis paralelamente posicionados – Um dispositivo de tração que mantém o disco em rotação à velocidade constante – Um pente de cabeças de leitura/gravação • Uma cabeça para cada face magnetizável do disco (existem dispositivos com mais de uma cabeça por face, visando reduzir o tempo de acesso à informação) • Organização do disco – O disco armazena as informações em trilhas concêntricas – Um grupo de trilha sobrepostas no disco compõe um cilindro – Cada trila possui várias divisões radiais (como em uma pizza cortada) chamadas setores. Professor Eduardo Xavier
- 27. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier
- 28. Sistemas Baseados em Disco • A visão do controlador de discos – Cada setor tem, geralmente, 512 bytes e é a unidade mínima de armazenamento manipulada pelo controlador de disco – Para acessar a informação no disco, o controlador precisa saber: • Qual a face do disco • Qual a trilha ou o cilindro • Qual o setor dentro da trilha Professor Eduardo Xavier
- 29. Sistemas Baseados em Disco • A visão do SO – O SO enxerga os setores de forma continuada, ignorando trilhas, cilindros e faces • Estes setores são chamados de blocos contínuos ou registros físicos – As vezes, é mais interessante para o SO trabalhar com unidades diferentes de 1 setor (exemplo: para obter mais velocidade em discos de alta capacidade) • Neste caso, o SO passa a trabalhar com registros lógicos ou blocos, que são agrupamentos de registros físicos (mais comum hoje em dia) • Isso aumenta a velocidade de acesso, mas aumenta também o espaço perdido pro registro Professor Eduardo Xavier
- 30. Sistemas Baseados em Disco • Gerenciamento de espaço livre no disco – O espaço de um arquivo que foi apagado pode ser reutilizado – Por este motivo, é preciso ter estratégias para gerenciar este espaço – Estratégias : • Lista Encadeada • Lista de Blocos Contíguos Professor Eduardo Xavier
- 31. Sistemas Baseados em Disco • Gerenciamento de espaço LIVRE no disco – Estratégia : Lista Encadeada • Ligação de todos os blocos livres do disco, formando uma “corrente” • Cada bloco possui uma área reservada para armazenar o endereço do próximo bloco livre • Problema: a pesquisa nos blocos é sempre sequencial – Estratégia : Lista de Blocos Contíguos • Guarda o endereço do primeiro bloco livre de uma série de blocos adjacentes em uma tabela de controle • Para cada endereço guardado, também se armazena a quantidade de blocos contíguos Professor Eduardo Xavier
- 32. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier DISCO Lista Encadeada 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bloco Ocupado Bloco Livre
- 33. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier DISCO Lista de Blocos Contíguos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bloco Ocupado Bloco Livre Primeiro Bloco Livre Número de Blocos Contíguos 1 2 5 1 7 1 10 2 14 1 17 4
- 34. Sistemas Baseados em Disco • Alocação de espaço OCUPADO no disco – Estratégia : Alocação Contígua • Consiste em armazenar um arquivo em blocos sequencialmente dispostos no disco • O sistema passa a localizar o arquivo pelo endereço do primeiro bloco e a quantidade de blocos contíguos do mesmo • Embora possuindo um gerenciamento simples, este método apresenta alto índice de fragmentação do disco, o que obriga a execução freqüente de rotinas de desfragmentação, causando impacto no desempenho Professor Eduardo Xavier
- 35. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier DISCO Alocação Contígua 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tabela de Blocos Contíguos Arquivo Bloco Extensão Arq01.txt 3 4 Arq02.txt 8 2 Arq03.txt 11 3 Arq04.txt 15 2 Bloco Ocupado Bloco Livre
- 36. Sistemas Baseados em Disco • Alocação de espaço OCUPADO no disco – Estratégia : Alocação Encadeada • Conjunto de blocos ligados logicamente no disco, independente de localização física • Cada bloco do arquivo possui um ponteiro apontando para o bloco seguinte do arquivo • Este método lida melhor com a fragmentação do disco do que a alocação contígua, porém: – Não elimina o problema de desempenho causado por excesso de fragmentação – Continua necessitando de eventuais desfragmentações – Outro problema neste método é a impossibilidade de acesso direto aos blocos dos arquivos
- 37. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier DISCO Alocação Encadeada 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Início do arquivo Fim do arquivo Bloco Ocupado Bloco Livre
- 38. Sistemas Baseados em Disco • Alocação de espaço OCUPADO no disco – Estratégia : Alocação Indexada • Mantém o endereço de todos os blocos (ponteiros) de um arquivo em uma estrutura separada chamada bloco de índice • Para arquivos grandes, pode-se encadear vários blocos de índices, onde o último valor de um bloco aponta para o próximo bloco • Este método resolve o problema de acesso direto mencionado na alocação encadeada Professor Eduardo Xavier
- 39. Sistemas Baseados em Disco Professor Eduardo Xavier DISCO Alocação Indexada 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bloco Ocupado Bloco Livre Diretório Arquivo Bloco de Índice Arq01.txt 3 3 9 – 6 – 5 – 8 – 11 – 13 – 15 – 16
- 40. Tópicos para Discussão • Confiabilidade do sistema de arquivos – Cópias de segurança • Procedimentos, Desastres e reprocessamentos – Consistência • Detecção e verificação • Desempenho – Cache de blocos (ou cache de buffer) – Leitura antecipada – Redução do movimento no braço do disco Professor Eduardo Xavier