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Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007
Capítulo 11: Implementação do sistema de arquivos
11.2 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Capítulo 11: Implementação do sistema de arquivos
Estrutura do sistema de arquivos Implementação do sistema de arquivos Implementação de diretório Métodos de alocação Gerenciamento do espaço livre Eficiência e desempenho Recuperação Sistemas de arquivo estruturados em log NFS Exemplo: Sistema de arquivos WAFL
11.3 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Objetivos
Descrever os detalhes da implementação de sistemas de arquivos e estruturas de diretório locais
Descrever a implementação de sistemas de arquivo remotos
Discutir algoritmos e opções de a alocação em bloco e bloco livre
11.4 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Estrutura do sistema de arquivos
Estrutura de arquivo Unidade de armazenamento lógico Coleta de informações relacionadas
Sistema de arquivos reside no armazenamento secundário (discos)
Sistema de arquivos organizado em camadas Bloco de controle de arquivo – estrutura de
armazenamento consistindo em informações sobre um arquivo
11.5 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Sistema de arquivos em camadas
11.6 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Um bloco de controle de arquivo típico
11.7 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Estruturas de sistema de arquivos na memória
A figura a seguir ilustra as estruturas necessárias do sistema de arquivos fornecidas pelos sistemas operacionais.
Figura 12.3(a) refere-se à abertura de um arquivo.
Figura 12.3(b) refere-se à leitura de um arquivo.
11.8 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Estruturas de sistema de arquivos na memória
11.9 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Sistemas de arquivo virtuais
Virtual File Systems (VFS) oferecem um modo orientado a objeto para implementar sistemas de arquivos.
VFS permite que a mesma interface de chamada do sistema (a API) seja usada para diferentes tipos de sistemas de arquivos.
A API é para a interface VFS, e não qualquer tipo específico de sistema de arquivos.
11.10 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Visão esquemática do Virtual File System
11.11 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Implementação do diretório
Lista linear dos nomes com ponteiro para os blocos de dados. simples de programar demorado para executar
Tabela de hash –lista linear com estrutura de dados em hash. diminui tempo de busca de diretório colisões – situações onde dois nomes de
arquivos referem-se ao mesmo local tamanho fixo
11.12 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Métodos de alocação
Um método de alocação refere-se a como os blocos de disco são alocados para arquivos:
Alocação contígua
Alocação vinculada
Alocação indexada
11.13 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação contígua
Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos contíguos no disco
Simples – requer somente local inicial (# bloco) e tamanho (número de blocos)
Acesso aleatório Desperdício de espaço (problema de alocação
dinâmica de armazenamento ) Arquivos não podem crescer
11.14 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação contígua
Mapeamento de lógico para físico
LA/512
Q
R
Bloco a ser acessado = ! + endereço inicialDeslocamento no bloco = R
11.15 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação contígua de espaço em disco
11.16 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Sistemas baseados em extensão
Muitos sistemas de arquivos mais novos (p.e., Veritas File System) usam um esquema de alocação contígua modificado
Sistemas de arquivos baseados em extensão alocam blocos de disco em extensões
Uma extensão é um bloco contíguo de discos Extensões são alocadas para alocação de
arquivo Um arquivo consiste em uma ou mais
extensões.
11.17 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação vinculada
Cada arquivo é uma lista vinculada de blocos de disco: blocos podem estar espalhados por todo o disco
ponteirobloco =
11.18 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação vinculada (cont.)
Simples – só precisa do endereço inicial Sistema de gerenciamento do espaço livre– sem desperdício de
espaço Sem acesso aleatório Mapeamento
Bloco a ser acessado é o Q° bloco na cadeia vinculada de blocos representando o arquivo.Deslocamento no bloco = R + 1
Tabela de alocação de arquivos (FAT) – alocação de espaço em disco usada pelo MS-DOS e OS/2.
LA/511
Q
R
11.19 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação vinculada
11.20 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Tabela de alocação de arquivos
11.21 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação indexada
Reúne todos os ponteiros no bloco de índice. Visão lógica.
Tabela de índice
11.22 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Exemplo de alocação indexada
11.23 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação indexada (cont.)
Precisa tabela de índice Acesso aleatório Acesso dinâmico sem fragmentação externa, mas tem overhead de
bloco de índice. Mapeamento de lógico para físico em um arquivo de tamanho
máximo de 256K words e tamanho de bloco de 512 words. Só precisamos de 1 bloco para tabela de índice.
LA/512Q
R
Q = deslocamento na tabela de índiceR = deslocamento no bloco
11.24 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação indexada – mapeamento (cont.) Mapeamento de lógico a físico em um arquivo de
tamanho não limitado (tamanho de bloco de 512 words). Esquema vinculado – Vincula blocos da tabela de índice
(sem limite no tamanho).
LA / (512 x 511)Q1
R1
Q1 = bloco da tabela de índiceR1 é usado da seguinte forma:
R1 / 512Q2
R2
Q2 = deslocamento para bloco da tabela de índiceR2 = deslocamento para bloco do arquivo
11.25 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação indexada – mapeamento (cont.)
Índice de dois níveis (tamanho de arquivo máximo é 5123)
LA / (512 x 512)Q1
R1
Q1 = deslocamento para índice externoR1 é usado da seguinte forma:
R1 / 512Q2
R2
Q2 = deslocamento para bloco da tabela de índiceR2 = deslocamento para bloco do arquivo
11.26 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Alocação indexada – mapeamento (cont.)
índiceexterno
tabela de índice arquivo
11.27 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Esquema combinado: UNIX (4K bytes por bloco)
11.28 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Gerenciamento de espaço livre
Vetor de bits (n blocos)
…
0 1 2 n-1
bit[i] = 0 bloco[i] livre
1 bloco[i] ocupado
Cálculo do número de bloco
(número de bits por word) *(número de words de valor 0) +deslocamento do primeiro bit 1
11.29 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Gerenciamento de espaço livre (cont.)
Mapa de bits requer espaço extra Exemplo:
tamanho do bloco = 212 bytes
tamanho do disco = 230 bytes (1 gigabyte)
n = 230/212 = 218 bits (ou 32K bytes) Fácil de obter arquivos contíguos Lista vinculada (lista livre)
Não pode obter espaço contíguo facilmente Sem desperdício de espaço
Agrupamento Contagem
11.30 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Gerenciamento de espaço livre (cont.)
Precisa proteger: Ponteiro para lista livre Mapa de bits
Deve ser mantido em disco Cópias na memória e disco podem diferir Não pode permitir que bloco[i] tenha situação
onde bit[i] = 1 na memória e bit[i] = 0 em disco Solução:
Defina bit[i] = 1 no disco Aloque bloco[i] Defina bit[i] = 1 na memória
11.31 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Implementação de diretório
Lista linear dos nomes de arquivo com ponteiro para blocos de dados simples de programar demorado para executar
Tabela de hash – lista linear com estrutura de dados da tabela de hash diminui tempo de busca de diretório colisões – situações onde dois nomes de
arquivo têm hash para o mesmo local tamanho fixo
11.32 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Lista vinculada de espaço livre em disco
11.33 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Eficiência e desempenho
Eficiência dependente de: alocação de disco e algoritmos de diretório tipos de dados mantidos na entrada de
diretório do arquivo
Desempenho cache de disco – seção separada da memória
principal para blocos usados freqüentemente free-behind e read-ahead – técnicas para
otimizar acesso seqüencial melhora desempenho do PC dedicando seção
da memória como disco virtual, ou disco de RAM
11.34 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Cache de página
Um cache de página guarda páginas ao invés de blocos de disco, usando técnicas de memória virtual
E/S mapeada na memória usa um cache de página
E/S de rotina pelo sistema de arquivos usa o cache de buffer
Isso leva à figura a seguir
11.35 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
E/S sem um cache de buffer unificado
11.36 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Cache de buffer unificado
Um cache de buffer unificado usa o mesmo cache de página para guardar páginas mapeadas na memória e E/S normal do sistema de arquivos
11.37 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
E/S usando um cache de buffer unificado
11.38 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Recuperação
Verificação de consistência – compara dados na estrutura de diretórios com blocos de dados no disco, e tenta consertar inconsistências
Usa programas do sistema para o backup de dados do disco para outro dispositivo de armazenamento (disquete, fita magnética, outro meio magnético ou óptico)
Recupera arquivo ou disco perdido, restaurando dados do backup
11.39 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Sistemas de arquivos estruturados em log
Sistemas de arquivos estruturados em log (ou journaling) registram cada atualização no sistema de arquivos como uma transação
Todas as transações são gravadas em um log Uma transação é considerada confirmada depois de
gravada no log Porém, o sistema de arquivos pode ainda não estar
atualizado As transações no log são gravada assincronamente no
sistema de arquivos Quando o sistema de arquivos é modificado, a
transação é removida do log Se o sistema de arquivos falhar, todas as transações
restantes no log ainda precisam ser realizadas
11.40 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
O Network File System (NFS) da Sun
Uma implementação e uma especificação de um sistema de softeware para acessar arquivos remotos pelas LANs (ou WANs)
A implementação faz parte dos sistemas operacionais Solaris e SunOS rodando em estações de trabalho Sun usando um protocolo de datagrama não confiável (protocolo UDP/IP e Ethernet)
11.41 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
NFS (cont.) Estações de trabalho interconectadas vistas como um
conjunto de máquinas independentes com sistemas de arquivos independentes, permitindo o compartilhando entre esses sistemas de arquivos de modo transparente Um diretório remoto é montado sobre um diretório do
sistema de arquivos local O diretório montado se parece com uma sub-árvore
integral do sistema de arquivos local, substituindo a sub-árvore descendo do diretório local
Especificação do diretório remoto para a operação mount não é transparente; o nome de host do diretório remoto precisa ser fornecido
Arquivos no diretório remoto podem então ser acessados de modo transparente
Sujeito a verificação de direitos de acesso, potencialmente qualquer sistema de arquivos (ou diretório dentro de um sistema de arquivos) pode ser montado remotamente em cima de qualquer diretório local
11.42 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
NFS (cont.)
NFS foi criado para operar em ambiente heterogêneo de diferentes máquinas, sistemas operacionais e arquiteturas de rede; especificações NFS independentes desses meios
Essa independência é alcançada por meio dos primitivos RPC em cima de um protocolo External Data Representation (XDR) usado entre duas interfaces independentes de implementação
A especificação NFS distingue entre os serviços fornecidos por um mecanismo de montagem e os serviços reais de acesso a arquivo remoto
11.43 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Três sistemas de arquivo independentes
11.44 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Montagem no NFS
Montagens Montagens em cascata
11.45 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Protocolo de montagem do NFS Estabelece conexão lógica inicial entre servidor e cliente Operação mount inclui nome do diretório remoto a ser montado
e nome da máquina servidora que o armazena Requisição de mount é mapeada na RPC correspondente e
encaminhada para servidor de mount executando na máquina servidora
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
Seguindo uma requisição de mount de acordo com sua lista de exportação, o servidor retorna um handle de arquivo – uma chave para outros acessos
Handle de arquivo – um identificador do sistema de arquivos e um número de inode para identificar o diretório montado dentro do sistema de arquivo exportado
A operação mount muda apenas a visão do usuário e não afeta o lado do servidor
11.46 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Protocolo NFS Oferece um conjunto de chamadas de procedimento remoto
para operações de arquivo remoto. Os procedimentos admitem as seguintes operações: procurar um arquivo dentro de um diretório ler um conjunto de entradas de diretório manipular links e diretórios acessar atributos do arquivo ler e gravar arquivos
Servidores NFS são sem estado; cada requisição precisa fornecer um conjunto completo de argumentos(NFS V4 está aparecendo agora – muito diferente, com estado)
Dados modificados precisam ser confirmados no disco do servidor antes que resultados sejam retornados ao cliente (perde vantagens do caching)
O protocolo NFS não oferece mecanismos de controle de concorrência
11.47 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Três principais camadas da arquitetura NFS
Interface de sistema de arquivos do UNIX (baseada nas chamadas open, read, write e close, e descritores de arquivo)
Camada do Virtual File System (VFS) – distingue arquivos locais dos remotos, e arquivos locais são diferenciados também de acordo com seus tipos do sistema de arquivos O VFS ativa operações específicas ao sistema de arquivos
para lidar com requisições locais, de acordo com seus tipos Chama as procedures do protocolo NFS para requisições
remotas Camada de serviço do NFS – camada inferior da arquitetura
Implementa o protocolo NFS
11.48 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Visão esquemática da arquitetura do NFS
11.49 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Tradução de nome de caminho do NFS
Realizada dividindo-se o caminho em nomes componentes e realizando-se uma chamada de pesquisa do NFS separada para cada par de nome de componente e vnode de diretório
Para tornar a pesquisa mais rápida, um cache de pesquisa do nome de diretório no cliente mantém os vnodes para nomes de diretório remotos
11.50 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Operações remotas do NFS
Correspondência quase um-para-um entre chamadas de sistema regulares do UNIX e as RPCs do protocolo NFS (exceto abrir e fechar arquivos)
NFS adere ao paradigma de serviço remoto, mas emprega técnicas de buffering e caching por questão de desempenho
Cache de blocos de arquivo – quando um arquivo é aberto, o kernel verifica com o servidor remoto se deve apanhar ou revalidar os atributos em cache Blocos de arquivo em cache são usados apenas se os
atributos em cache correspondentes estiverem atualizados Cache de atributo de arquivo – o cache de atributo é atualizado
sempre que novos atributos chegam do servidor Clientes não liberam blocos de escrita adiada até que o
servidor confirme que os dados forma gravados em disco
11.51 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Exemple: Sistema de arquivos WAFL
Usando em Network Appliance “Filers” – appliances do sistema de arquivos distribuído
“Layout de arquivo para escrita em qualquer lugar” Atende NFS, CIFS, http, ftp E/S aleatória otimizada, escrita otimizada
NVRAM para caching de escrita Semelhante ao Berkeley Fast File System, com várias
modificações
11.52 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
O layout de arquivo WAFL
11.53 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Snapshots no WAFL
11.54 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006
Um bloco de controle de arquivo típico
Operating System Concepts with Java – 7th Edition, Nov 15, 2006 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2007
Final do Capítulo 11