SO-08 Sistemas de Arquivos

Sistemas Operacionais
Sistemas de Arquivos

Sistema de Arquivos
 Arquivos
➼ Atributos
➼ Operações
➼ Tipos
 Diretórios
 Gerência de Espaço Livre
➼ Mapa de Bits (Vetor de Bits)
➼ Lista Ligada Simples
➼ Lista Ligada com Agrupamento
➼ Tabela de Blocos Livres Agrupados
 Alocação de Espaço em Disco
➼ Alocação Contígua
➼ Alocação Encadeada (Lista Ligada)
➼ Lista Ligada usando Índice
➼ Alocação Indexada (Nó-I)
 Implementações de Diretórios

2
Eduardo Nicola F. Zagari

Sistemas de Arquivos
 Para a maioria dos usuários, o Sistema de
Arquivos é o aspecto mais visível do SO
 É a parte do SO responsável pelo
armazenamento e acesso de dados e programas
do SO e dos usuários
 Consiste de:
➼ conjunto de arquivos
➼ estrutura de diretórios
➼ partição

3

Arquivos
 Computadores armazenam informação em
diferentes tipos de dispositivos físicos:
➼ fitasmagnéticas
➼ discos magnéticos
➼ discos óticos, ...

 SO abstrai as propriedades físicas do
dispositivo definindo uma unidade de
armazenamento lógica:
O arquivo

 O SO associa cada arquivo a um dispositivo
físico
4

Arquivos
 Arquivo é um conjunto nomeado de informações
que são gravadas em memória secundária
➼ Programas:código-fonte ou objeto
➼ Dados: numéricos , alfabéticos, alfanuméricos ou
binários
 Formato:
➼ Livre: arquivos-texto
➼ Rigidamente Formatado

 Geralmente é uma seqüência de bits, bytes,
linhas ou registros, cujo significado é definido
pelo criador do arquivo ou pelo usuário.

5

Atributos
 Tipicamente:
➼ Nome: informação para consumo humano
➼ Tipo: necessário quando o SO diferencia tipos
➼ Localização: ponteiro para dispositivo físico e
localização dentro dele
➼ Tamanho: quantidade de bytes, palavras ou blocos do
arquivo (e, possivelmente, o tamanho máximo permitido)
➼ Proteção: informação de controle de acesso ao arquivo
(leitura, escrita, execução)
➼ Dono: dono do arquivo
➼ Data, hora e usuário: usado para (1) criação, (2) última
modificação e (3) último uso  informação útil para
proteção, segurança e monitoramento de uso
➼ Senha: utilizada no acesso
6

Operações
 Unix system calls :
➼ fd:descritor de arquivo = referência para tabela de
arquivos
➼ fd = creat(nome, modo)
➼ fd = open(arq, como)
➼ s = close(fd)
➼ n = read(fd, buffer, nbytes)
➼ n = write(fd, buffer, nbytes)
➼ pos = lseek(fd, offset, inicio/atual/fim)
➼ s = stat(nome, &buf)
➼ s = chmod(nome, modo)

7

Tipos

16 bits
Um arquivo Número mágico .
binário Tamanho do código
.
.
executável Tamanho dos dados

Cabeçalho
Tamanho do BSS ≈ Código ≈
no Unix Tamanho da tabela
de símbolos
Ponto de entrada ≈ Dados ≈
Flags Bits de
≈ relocação ≈
.
. Tabela de
. ≈ símbolos ≈

8

Tipos

Um arquivo Cabeçalho
Nome do módulo
binário Módulo Data
não objeto Proprietário
executável Proteção
(biblioteca Cabeçalho Tamanho
de módulos) Módulo
objeto
no Unix
Cabeçalho

Módulo
objeto

9

Diretórios
 O sistema de arquivo pode ser grande  para se
gerenciar os dados, torna-se necessários
organizá-los
 A organização é feita em duas partes:
➼ O sistema é dividido em partições (volumes):
• cada disco contém pelo menos uma partição
• usadas para fornecer áreas separadas em disco  cada uma
é tratada como um dispositivo de armazenamento diferente
• alguns sistemas permitem que uma partição agrupe vários
discos em uma única estrutura lógica

10

Diretórios
➼ Cada partição contém informação sobre os arquivos
que ela armazena:
• mantida em diretório de dispositivo ou tabela de conteúdo
do volume (mais conhecido como diretório)
• o diretório registra informações como nome, localização,
tamanho, tipo, etc...

diretório diretório
Partição A Disco 2
arquivos
Disco 1 Partição C
diretório arquivos
Partição B Disco 3
arquivos

11

Gerência de Espaço Livre

 São possíveis duas estratégias genéricas para
armazenamento de arquivos:
➼ alocação de n bytes consecutivos no disco
• apresenta um problema óbvio quando o arquivo cresce...
➼ alocação de blocos não necessariamente contíguos
 Tamanho do Bloco:
➼ Candidatos a serem a unidade de alocação: o tamanho do setor, da
trilha, do cilindro e da página (se SO paginado)
➼ Unid. de alocação grande: provável desperdício de memória
➼ Unid. de alocação pequena: baixa taxa de transferência

 Para poder criar arquivos, o SO precisa saber se há blocos
livres e quais são  lista de espaço livre

12

Mapa de Bits (Vetor de Bits)
 Cada entrada da tabela aponta para um bloco
 Define-se:
Livre = 1
ocupado = 0
 Simples
Disco: 1,3 Gbytes
 Consome muito espaço de memória: Bloco: 512 bytes
 Exemplo: Bitmap: 333k

2, 3, 4, 5,
00111100 Usado quando
8, 9, 10, 11, 12, 13, 11111100 se tem espaço
17, 18, 01100000 na memória
principal para
25, 26 e 27 livres 01110000 todo o vetor

13

Lista Ligada Simples
 Cada bloco livre aponta para o próximo livre
 Acesso seqüencial
 Ineficiente

0 1 2 3
Primeiro
4 5 6 7
bloco
livre 8 9 10 11
12 13 14 15
16 17 18 19

14

Lista Ligada com Agrupamento
 Os endereços dos n primeiros blocos livres são
armazenados no primeiro bloco. Os primeiros
n-1 endereços estão disponíveis e o último
endereço aponta para outro bloco com
endereços livres
42 230 86
Ex.: Blocos de 1K
136 162 234 End. do bloco: 16 bits
210 612 897
97 342 422  cada bloco guarda 511
41 160 140 blocos livres
63 664
21 216 Disco de 20M
≈
147
≈ ≈
320
≈ ≈ ≈ 20K blocos
48 482  precisa, no máximo, de
uma lista ligada de 40 blocos
15

Tabela de Blocos Livres (Contagem)
 Geralmente blocos contíguos são alocados ou
liberados simultaneamente
 Encontrar um número grande de blocos livres é
mais rápido
 Tabela é menor

Bloco 4 5 Contador
18 1
23 7
35 30
253 5
16

Métodos de
Alocação de Espaço em Disco
 A natureza do acesso direto aos discos permite
flexibilidade na implementação de arquivos
 A questão principal do projeto de um Sistema
de Arquivos é:
Como alocar espaço aos arquivos de
modo que o uso do espaço em disco seja
eficaz e que o acesso aos dados seja rápido?

17

Alocação Contígua
 Cada arquivo deve ocupar um conjunto de blocos
contíguo no disco
 Vantagens:
➼ Simples de implementar  guardar apenas o end. do 1o bloco
➼ Acessos seqüencial e direto facilitados
➼ Excelente performance  leitura em uma única operação

 Dificuldade: achar espaço para novo arquivo 
seqüência de blocos livres igual ou maior que o arquivo
 A alocação de blocos em uma área contígua pode ser
feita através de algoritmos de estratégia de alocação
como o First-Fit, Best-Fit e Worst-Fit.

18

Alocação Contígua
 Desvantagens:
➼ Necessário conhecer o tamanho dos arquivos no
instante de sua criação (se reservar pouco 
necessidade de cópia, se reservar muito 
desperdício)
➼ Fragmentação do disco  compactação é cara.

Diretório
Arquivo Início Tamanho
0 1 2 3
prog.c 0 2
4 5 6 7 a.out 14 3
8 9 10 11 leiame 19 1
12 13 14 15 arq.txt 6 2
16 17 18 19

19

Alocação com Lista Ligada
 Espaço alocado é mantido através de uma lista
ligada de blocos  uma parte do bloco guarda a
referência para o próximo
512 bytes

Dados

4 bytes  próximo bloco

0 1 2 10 3 11 Diretório Para criar um arquivo:
Arquivo Início Tamanho
47 5 63 72
prog.c 4 5
Início (1o bloco) = -1
8 9 1012 1114 a.out 6 4 Tamanho = 0
12 x 13 14 x 15
16 17 18 19
Para escrever:
Aloca-se um
bloco etc
20

Alocação com Lista Ligada
 Vantagens:
➼ Não existe fragmentação
➼ Entrada do diretório tb armazena apenas o end. do 1o bloco

 Desvantagens:
➼ Acesso randômico (mais lento)
➼ O acesso direto é feito seqüencialmente
➼ Tamanho útil do bloco (≠ potência de 2)
➼ Espaço perdido com os ponteiros para próximo bloco  solução:
clusters
➼ Confiabilidade: erro em qualquer um dos blocos do arquivo torna
impossível recuperação do restante
➼  solução parcial: lista duplamente ligada

21

Alocação com
Lista Ligada usando um Índice
 Similar ao método anterior, colocando-se os
ponteiros que encadeiam os blocos em tabela ou
índice na memória
 A tabela fica no início de cada partição e é
usada como uma lista ligada
 FAT (File Allocation Table) 0 1
0
0
2 10
3 11
4 7
Entrada no diretório 5 0
6 3
prog.c ... 4
7 2 FAT
8 0
a.out ... 6 9 0
nome bloco 10 12
inicial 11 14
12 eof
13 0
14 eof
22

Alocação com
Lista Ligada usando um Índice
 Vantagens:
➼ Bloco fica livre para armazenamento apenas da
informação
➼ Apesar de randômico, o acesso é baseado na cadeia
que está inteiramente na memória principal (basta
realizar a busca na FAT)
➼ Entrada no diretório precisa conter apenas o número
do bloco inicial
 Desvantagem:
➼ Tabela deve permanecer na memória durante todo o
tempo
• Disco de 500.000 blocos 500 MBytes
• Blocos de 1K
• Tabela com 500.000 entradas vezes 4 bytes = 2 MBytes
23

Alocação Indexada (Nó-I)

 Assim como lista ligada, resolve problemas relativos à:
➼ tamanho do arquivo
alocação contígua
➼ fragmentação externa
➼ suporte a acesso direto  alocação encadeada

 ... além do problema da grande tabela em memória...
 Consiste em associar a cada arquivo uma pequena tabela de
índices (nó-i), que lista seus atributos e endereços em disco
(um vetor de endereços)
 O diretório contém o endereço da tabela de índices
 Permite acesso direto ao n-ésimo bloco
➼ é só ler a n-ésima entrada do nó-i.

24


4
7
15 2
10
0 1 2 3 12
4 5 6 7
8 9 10 11
12 13 14 15 Diretório
Arquivo Início
16 17 18 19 prog.c 15

25


 Desvantagem: Se o arquivo for pequeno, gasta-se
um bloco por índice
 Solução: índices encadeados (vários níveis)
➼ Os primeiros endereços são armazenados no próprio nó-
i  arquivos pequenos
➼ Um dos endereços apontados pelo nó-i é o endereço do
bloco indireto simples, que aponta para endereços do
arquivo no disco
➼ Outro apontador do nó-i é para o bloco indireto duplo,
que contém uma lista de blocos de endereço simples
➼ Existe ainda o bloco indireto triplo

26

Implementação de Diretórios
 Para abrir um arquivo o SO usa o nome do caminho para
localizar sua entrada no diretório
 Dependendo do sistema, tal entrada fornece
informações do tipo:
➼ endereço do bloco (alocação contígua)
➼ número do primeiro bloco (alocação com listas ligadas)
➼ número do nó-i relativo ao arquivo (alocação indexada)

 Outro aspecto a ser considerado é onde os atributos
dos arquivos devem estar armazenados: diretamente na
entrada do diretório ou nos nós-i, no caso dos sistemas
que usam alocação indexada

27

Diretórios no MS-DOS
Setor primário
de boot Partição 1 Partição 2 Partição 3 Part. 4

Tab. de alocação
Setor secundário Diretório-raiz
de arquivos
de boot

≈ ≈
FAT
Cópia opcional Blocos de dados
da FAT
 Setor de boot:
➼ começa com um desvio incondicional para código de
boot
➼ lista de parâmetros: no de bytes por setor, no de
setor por bloco, no de arquivo na tabela de alocação,
tamanho do diretório raiz, ...
➼ Tabela de partição (máximo 4): uma deve ser ativa
28

Diretórios no MS-DOS
8 3 1 10 2 2 2 4
Nome do arquivo Tamanho

Extensão Reservado Data
Atributos Hora Número do 1o bloco

 Nome e extensão: o ponto não é armazenado
 Atributos: contém os seguintes bits
➼ A - 1 quando arquivo é modificado
➼ D - 1 quando for diretório
➼ V - 1 quando for nome do volume
➼ S - 1 arquivo do sistema
➼ H - 1 arquivo escondido
➼ R - 1 arquivo não pode ser escrito

 Não se pode ter link  não se pode ter 2 entradas
com mesmo número inicial de bloco
29

Diretórios no UNIX
Bloco de

≈ ≈
boot

Nós-I Blocos de dados
Super -Bloco

 Bloco de boot: não é usado pelo UNIX e muitas vezes
contém o código de boot
 Super-bloco: no de nós-i, no de blocos e início da lista de
blocos livres (crítico para o sistema)
 Nós-i: atrib. do arquivo mais a localização dos blocos
 Blocos de dados: armazenam arquivos e diretórios

30

Diretórios no UNIX
2 14 ou 255 (dependendo da versão)
No do nó-i
Nome do arquivo

 Os atributos não estão armazenados na entrada
do diretório, mas no nó-i
 Ex.: /usr/enfz/mbox
Diretório raiz Nó-i 6 Bloco 132: /usr Nó-i 30 Bl. 406: /usr/enfz
1 . Modo 6 . Modo 30 .
1 .. Tamanho 1 .. Tamanho 6 ..
4 bin Tempos 19 ast Tempos 64 Prog1.c
7 dev 132 30 enfz 406 92 books
14 Arq.txt 51 lff 60 mbox
9 etc 26 lgsj 81 minix
6 usr usr está no 45 rcmp /usr/enfz está 17 src
8 tmp bloco 132 Procura /usr/enfz no bloco 406
Procura usr Obtém nó-i 30 Procura /usr/enfz/mbox
Obtém nó-i 6 Obtém nó-i 60

31

Diretórios no UNIX
Nó-i
Modo
Contador de
ligações
Uid
Gid
Tamanho do
arquivo
Tempos
End dos
primeiros
10 blocos
de disco
Indireto único

Indireto duplo

Indireto triplo

Bloco Indireto Triplo
Bloco Indireto Duplo
Bloco Indireto Único

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