Captulo 11 Implementao de Sistemas de Arquivos Operating

Capítulo 11: Implementação de Sistemas de Arquivos Operating System Concepts – 8 th Edition Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Sobre a apresentação (About the slides) Os slides e figuras dessa apresentação foram criados por Silberschatz, Galvin e Gagne em 2009. Esse apresentação foi modificada por Cristiano Costa (cac@unisinos. br). Basicamente, os slides originais foram traduzidos para o Português do Brasil. É possível acessar os slides originais em http: //www. os-book. com Essa versão pode ser obtida em http: //www. inf. unisinos. br/~cac The slides and figures in this presentation are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, 2009. This presentation has been modified by Cristiano Costa (cac@unisinos. br). Basically it was translated to Brazilian Portuguese. You can access the original slides at http: //www. os-book. com This version could be downloaded at http: //www. inf. unisinos. br/~cac Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 2 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Capítulo 11: Implementação de Sistemas de Arquivos n Estrutura do Sistemas de Arquivos n Implementação de Diretório n Métodos de Alocação n Gerenciamento do Espaço Livre n Eficiência e Desempenho n Recuperação n Sistemas de Arquivos Baseados em Registro de Operações (Log) n NFS n Exemplo: Sistemas de Arquivos WAFL Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 3 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Objetivos n Descrever os detalhes de implementação de sistemas de arquivos locais e estruturas de diretórios n Descrever a implementação de sistemas de arquivos remotos n Discutir alocação de blocos e algoritmos de blocos livres e relação custo- benefício Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 4 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Estrutura de Sistemas de Arquivos n Estrutura do Arquivo l Unidade de Armazenamento Lógica l Coleção de informações relacionadas n Sistema de arquivos organizado em camadas. n Sistema de arquivos reside em armazenamento secundário (discos). l Fornecem acesso eficiente e conveniente aos discos permitindo o fácil armazenamento de dados e sua localização n Bloco de Controle de Arquivo (File control block) – estrutura de armazenamento contendo informações sobre um arquivo. n Driver de dispositivo (Device driver) controla o dispositivo físico Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 5 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Sistemas de Arquivos em Camadas Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 6 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Implementação de Sistemas de Arquvios n Boot control block contém informações necessárias pelo sistema para iniciar o SO naquele volume n Volume control block contém detalhes do volume n Estrutura de diretório organiza os arquivos n File Control Block (FCB) por arquivo contém vários detalhes sobre os arquivos Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 7 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Um Bloco de Controle de Arquivo Típico Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 8 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Estrutura de Sistemas de Arquivos na memória n As figuras a seguir ilustram as estruturas de sistemas de arquivos necessárias e fornecidas pelo sistema operacional n Figura 12 -3(a) refere a abertura de um arquivo. n Figura 12 -3(b) refere a leitura de um arquivo. Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 9 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Estrutura de Sistemas de Arquivos na memória Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 10 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Sistemas de Arquivos Virtual n Sistemas de Arquivos Virtual (Virtual File Systems - VFS) fornece uma forma orientada a objetos de implementar sistemas de arquivos. n VFS permite que a mesma interface de chamada de sistemas (a API) seja utilizada para diferentes tipos de sistemas de arquivos. n A API é da interface do VFS, ao invés de um tipo específico de sistemas de arquivos. Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 11 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Visão Esquemática de um Sistema de Arquivos Virtual Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 12 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Implementação de Diretório n Lista Linear de nomes de arquivos com ponteiros para os blocos de dados l Simples de programar l Execução lenta n Tabela Hash – lista linear com estruturas de dados hash. l Diminui o tempo de procura no diretório l colisões – situações nas quais dois nome de arquivos obtém a mesma localização l Tamanho fixo Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 13 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Métodos de Alocação n Um método de alocação indica como os blocos de disco são alocados arquivos: n Alocação Contígua n Alocação Encadeada n Alocação Indexada Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 14 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Contígua n Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos contíguos no disco n Simples – somente é necessário armazenar a localização inicial (número do bloco) e o tamanho do arquivo (quantidade de blocos) n Acesso Direto (randômico) n Perda de Espaço (problema da alocação dinâmica) n Arquivos não podem crescer Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 15 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Contígua (Cont. ) n Mapeamento de endereço lógico para físico Q LA/512 R Bloco a ser acessado (Q) = ! + endereço inicial Deslocamento no Bloco = R Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 16 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Exemplo de Alocação Contígua Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 17 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Sistema Baseado em Extensão n Em Inglês Extent-Based Systems n Muitos sistemas de arquivos novos (Por exemplo o Sistema de Arquivos Veritas) usam um esquema de alocação contígua modificado n Sistemas de Arquivos baseados em extensão alocam blocos de disco em extents (extensões) n Um extent é um bloco contíguo no disco l Extensões são alocadas por alocação de arquivo l Um arquivo consiste de uma ou mais extensões Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 18 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Encadeada n Cada arquivo é uma lista encadeada de blocos em disco: blocos podem ser espalhados em qualquer lugar do disco. bloco Operating System Concepts – 8 th Edition = ponteiro 11. 19 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Encadeada (Cont. ) n Simples – necessita somente do endereço inicial n Sistema de Gerenciamento de Espaço Livre – sem perda de espaço n Sem acesso direto (randômico) n Mapeamento Q LA/511 R Bloco a ser acessado está na posição Q na lista encadeada de blocos representando um arquivo. Deslocamento no Bloco = R + 1 Tabela de Alocação de Arquivos / File-allocation table (FAT) – alocação de espaço em disco usada pelo MS-DOS e OS/2. Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 20 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Exemplo de Alocação Encadeada Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 21 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

File-Allocation Table - FAT Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 22 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Indexada (em Tabela) n Juntar todos os ponteiros em uma tabela de índices (index block). n Também chamados de Inodes ou Nós-Índices n Visão Lógica. index table Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 23 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Examplo de Alocação Indexada Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 24 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Indexada (Cont. ) n Necessita de Tabela de Índices n Acesso direto (randômico) n Acesso dinâmico sem fragmentação externa, mas com a sobrecarga da tabela de índices. n Mapeamento de endereço lógico para físico em um arquivo de tamanho máximo de 256 k palavras e tamanho de bloco de 512 palavras. Somente é necessário um bloco para a tabela de índices Q LA/512 R Q = deslocamento na tabela de índices R = deslocamento no bloco Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 25 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Indexada – Mapeamento (Cont. ) n Mapeamento de lógico para físico em um arquivo de tamanho indeterminado (tamanho do bloco de 512 palavras). n Esquema Encadeado – Encadear blocos da tabela de índices (sem limite no tamanho). Q 1 LA / (512 x 511) R 1 Q 1 = bloco da tabela de índices R 1 é usado como segue: Q 2 R 1 / 512 R 2 Q 2 = deslocamento em bloco da tabela de índices R 2 deslocamento em bloco de arquivo: Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 26 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Indexada – Mapeamento (Cont. ) n Índice em dois níveis (tamanho máximo do arquivo é 5123) Q 1 LA / (512 x 512) R 1 Q 1 = deslocamento na tabela de índice externa R 1 é usado como segue: Q 2 R 1 / 512 R 2 Q 2 = deslocamento em bloco da tabela de índices R 2 deslocamento em bloco do arquivo Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 27 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Alocação Indexada – Mapeamento (Cont. ) � Tabela de índices extern Tabela de índices Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 28 arquivo Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Esquema Combinado: UNIX (4 K bytes por bloco) Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 29 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Gerenciamento do Espaço Livre n Vetor ou mapa de Bits (n blocos) 0 1 2 n-1 ��� … bit[i] = 0 bloco[i] livre 1 bloco[i] ocupado Cálculo do número do Bloco (número de bits por palavra) * (número de palavras com valor 0) + deslocamento do primeiro bit 1 Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 30 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Gerenciamento do Espaço Livre (Cont. ) n Vetor de bits requer espaço extra. Exemplo: tamanho do bloco = 212 bytes tamanho do disco = 230 bytes (1 gigabyte) n = 230/212 = 218 bits (or 32 K bytes) n Fácil para manter arquivos contíguos n Lista encadeada (Lista de blocos livres) l Difícil manter alocação contígua l Sem desperdício de espaço n Agrupamento n Contagem Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 31 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Gerenciamento do Espaço Livre (Cont. ) n Necessita Proteger: Ponteiro para a lista livre l Vetor de Bits 4 Deve ser mantido em disco 4 Cópia em memória e disco podem diferir. 4 Não pode acontecer de para um bloco[i] ter a situação de bit[i] = 1 na memória e bit[i] = 0 no disco. l Solução: 4 Faça bit[i] = 1 no disco. 4 Aloque bloco[i] l 4 Faça bit[i] = 1 na memória Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 32 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Lista Encadeada de Espaço Livre no Disco Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 33 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Eficiência e Desempenho n Eficiência depende de: l Alocação de disco e algoritmos de diretório l Tipos de dados mantidos na entrada do arquivo no diretório n Desempenho l cache de disco– seção separada de memória principal para blocos freqüentemente usados l Liberação antecipada (free-behind) e leitura antecipada (read-ahead) – técnicas para otimizar o acesso sequencial l Aumentar o desempenho do PC dedicando partes da memória como discos virtuais (RAM disks). Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 34 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Cache de Páginas n Um cache de páginas armazena páginas ao invés de blocos de disco usando técnicas de memória virtual n E/S mapeado em memória usa cache de página n Rotina de E/S através do sistema de arquivos usa o cache de buffer (do Disco) n Isso leva a figura a seguir Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 35 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

E/S sem um Cache de Buffer Unificado Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 36 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Cache de Buffer Unificado n Um cache de buffer unificado usa o mesmo cache de páginas para armazenar páginas mapeadas na memória e E/S ao sistema de arquivos padrão Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 37 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

E/S com um Cache de Buffer Unificado Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 38 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Recuperação n Teste de Consistência – comparar dados nas estruturas de diretórios com blocos de dados no disco, e tentar consertar as inconsistências. n Usar programas de sistemas para criar cópias de segurança (back up) do disco para outros dispositivos de armazenamento (disquete, disco magnético). n Recuperar arquivos ou discos perdidos restaurando dados do backup. Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 39 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Sistemas de Arquivos Baseados em Registro de Operações n Sistemas de arquivos com Estrutura de Registro de Operações - Log (ou journaling) registram cada atualização no sistema de arquivos como uma transação n Todas as transações são escritas em um registro de operações l Uma transação é considerada encerrada com sucesso (commit) uma vez que é gravada no registro de operações l Entretanto, o sistema de arquivos pode não ter sido atualizado ainda n As transações do registro de operações são gravadas de forma assíncrona no sistema de arquivos l Quando o sistema de arquivos é modificado, a transação é removida do registro de operações n Se o sistema de arquivos trava, todas as transações restantes no log precisam ainda ser realizadas Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 40 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

O Network File System (NFS) da Sun n Uma implementação e especificação de um software para acessar arquivos remotos através das redes locais (ou metropolitanas) n A implementação é parte dos sistemas operacionais Solaris e Sun. OS executando em estações de trabalho Sun usando um protocolo de datagramas não confiável (UDP/IP) e Ethernet Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 41 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

NFS (Cont. ) n Estações de trabalho interconectadas são vistas como um conjunto de máquinas independentes com sistemas de arquivos independentes. NFS permite compartilhamento entre esses sistemas de arquivos de forma transparente l Um diretório remoto é montado sobre um sistema de diretórios local 4 O diretório montado aparece como uma sub-árvore integrada ao sistema de arquivos local, substituindo as ramificações descendentes do subdiretório local l Especificação do diretório remoto para a operação de montagem não é transparente; O nome da máquina do diretório remoto deve ser fornecido 4 Arquivos no diretório remoto podem então ser acessados de forma transparente l Sujeito aos direitos de acesso, potencialmente qualquer sistema de arquivos (ou diretório nesse sistema de arquivos) pode ser montado remotamente em qualquer diretório local Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 42 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

NFS (Cont. ) n NFS é projetado para operar em ambientes heterogêneos de diferentes máquinas, sistemas operacionais e arquiteturas de rede; a especificação do NFS independe dessas mídias n A independência é obtida através do uso de primitivas de RPC construídas sobre o protocolo External Data Representation (XDR) usado entre duas interfaces independentes de implementação n A especificação do NFS separa serviços fornecidos pelo mecanismo de montagem e serviços de acesso aos arquivos remotos Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 43 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Três Sistemas de Arquivos Independentes Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 44 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Montagem no NFS Mounts Operating System Concepts – 8 th Edition Cascading mounts 11. 45 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Protocolo de Montagem do NFS n Estabelece conexão lógica inicial entre cliente e servidor n Operação de montagem inclui nome do diretório remoto a ser montado e o nome da máquina que armazena-o l Requisição de montagem é mapeada para o RPC correspondente e enviada ao servidor de montagem que executa na máquina servidora l Export list (Lista de Exportação) – especifica sistemas de arquivos locais que o servidor exporta para montagem junto com os nomes das máquinas que têm permissão para montá-los n Seguindo uma requisição de montagem que está de acordo com a lista de exportação, o servidor retorna um manipulador de arquivo – uma chave para acesso futuro n Manipulador de Arquivo (handle) – um identificador do sistema de arquivos e um número de inode para identificar diretório montado dentro do sistema de arquivos exportado n A operação de montagem altera somente a visão do usuário e não afeta o lado do servidor Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 46 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Protocolo do NFS n Fornece um conjunto de chamadas de procedimentos remotos para operações em arquivos remotos. Os procedimentos suportam as seguintes operações: l procurar por um arquivo em um diretório l ler um conjunto de entradas de diretório manipular links e diretórios l acessar atributos de arquivos l ler e escrever arquivos n Servidores NFS são stateless (não armazenam estados); cada requisição tem que fornecer o conjunto completo de argumentos l NFS a partir da versão 4 é bem diferente, sendo statefull – armazena estados no servidor. Aqui são tratadas as versões anteriores n Dados modificados devem ser gravados no disco do servidor antes dos resultados serem retornados ao cliente (perde as vantagens do uso de cache) n O protocolo NFS não provê mecanismos de controle de concorrência l Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 47 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Três Camadas Principais da Arquitetura NFS n Interface do sistema de arquivos UNIX (baseada nas chamadas open, read, write, e close, e no descritor de arquivo) n Camada Sistema de Arquivos Virtual (VFS)– distingue arquivos locais de remotos, e locais são ainda separados de acordo com seus tipos de sistemas de arquivos l O VFS ativa as operações específicas de sistemas de arquivos para tratar requisições locais de acordo com os tipos de sistemas de arquivos l Chama os procedimentos do protocolo NFS para requisições remotas n Camada de serviço do NFS – camada mais abaixo na arquitetura l Implementa o protocolo NFS Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 48 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Visão Esquemática da Arquitetura NFS Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 49 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Tradução de Caminhos (Paths) no NFS n Realizada quebrando o caminho em nomes de componentes e realizando uma chamada separada de lookup ao NFS para cada par de componentes (nome e vnode de diretório) n Para tornar o lookup mais rápido, um cache de nome de diretório no lado do cliente armazena o vnode de nomes de diretórios remotos Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 50 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Operações Remotas no NFS n Existe quase uma correspondência um-para-um entre chamadas de sistemas UNIX regulares e o RPC do protocolo NFS (exceto para abertura e fechamento de arquivos – nas versões stateless) n NFS adere ao paradigma de serviço remoto, mas emprega bufferização e técnicas de cache por razões de desempenho n Cache de Blocos de Arquivos – quando um arquivo é aberto, o kernel verifica com o servidor remoto se deve buscar e trazer ou revalidar os atributos de cache l Blocos de Arquivos no cache são usados somente se os atributos correspondentes no cache estão atualizados n Cache de atributos de arquivos – o cache de atributos é atualizado sempre que novos atributos chegam do servidor n Clientes não liberam blocos de escrita até que o servidor confirme que os dados foram escritos no disco Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 51 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Exemplo: Sistema de Arquivos WAFL n Usado nos “Filers” da empresa Network Appliance –sistemas de arquivos distribuídos de aparelhos (dispositivos criados para realizar funções particulares) l Uma questão atual na área de redes tem sido fornecer serviços comuns usando aparelhos ao invés de computadores de propósito gerais n “Write-anywhere file layout” – Leiaute de arquivo escreva em qualquer lugar n Serve NFS, CIFS, http, ftp n Otimizado para E/S aleatório e escrita l NVRAM para cache de escrita n Similar ao Sistema de Arquivos Berkeley Fast File System (FFS), com modificações consideráveis Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 52 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

O Leiaute de Arquivo do WAFL Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 53 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Snapshots (Fotografias) no WAFL Operating System Concepts – 8 th Edition 11. 54 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009

Fim do Capítulo 11 Operating System Concepts – 8 th Edition Silberschatz, Galvin and Gagne © 2009