Principy operačních systémů. Lekce 7: Souborový systém

Principy operačních systémů

Lekce 7: Souborový systém

Principy operačních systémů – Ing. Nulíček Vladimír

Souborový systém • Souborový systém (anglicky file system) je označení pro způsob organizace dat ve formě souborů (a většinou i adresářů) tak, aby k nim bylo možné snadno přistupovat. • Souborové systémy jsou uloženy na vhodném typu elektronické paměti, která je umístěna přímo v počítači (pevný disk nebo CD,…) nebo může být zpřístupněna pomocí počítačové sítě (NFS, SMB, Apple Talk,…).


2


Účel souborového systému • Údaje v elektronické paměti jsou přístupné v podstatě jako vektor dvojkových čísel. Přitom různé oblasti tohoto vektoru mohou být v závislosti na typu a okamžitém stavu paměti různě rychle dostupné. • Například harddisk nebo CD-mechanika potřebuje určitý čas na přesun hlavičky na jinou stopu a než se pod hlavičku dostane oblast s požadovanými daty. • Souborový systém zajišťuje ukládání a čtení dat paměťového média tak, aby s nimi uživatelé mohli pracovat ve formě souborů a adresářů. • Základní ideou souborového systému je tedy zpřístupnění a ukládání dat pomocí hierarchicky organizovaného systému adresářů a souborů.


3


Účel souborového systému • Základním pravidlem každého souborového systému je, že data musí být jednoznačně určena svým jménem. Z toho vyplývá, že dva soubory nebo podadresáře umístěné ve stejném adresáři nesmí mít stejné jméno. • Souborový systém zaznamenává kromě jména souboru a jeho umístění v hierarchii adresářů další informace sloužící pro správu souborů např. – časové známky (nejdůležitější je čas poslední změny). – informace o vlastnících souborů a přístupových právech.


4


Soubor • Soubor označuje pojmenovanou sadu dat uloženou na nějakém datovém médiu, se kterou lze pracovat nástroji operačního systému jako s jedním celkem. • Obsahem souboru mohou být různá data: – Jednoduché soubory s jedním druhem dat (textový dokument, obrázek, program, zvukový záznam) – Složené soubory, obsahující množství dílčích souborů a objektů (archívní soubory, knihovny, ISO obrazy disků, kancelářské dokumenty s vloženými objakty apod.)


5


Textový a binární soubor • Podle toho, jak má být obsah souboru interpretován lze soubory rozdělit na textové a binární • Textový soubor je soubor, ve kterém jednotlivé byty, dvojice bytů nebo posloupnosti bytů mají význam znaků (např. text, formátovaný text, hypertext, CSV soubor s daty) • Binární soubor je soubor, který obsahuje jakákoliv data, která jsou následně zpracovávána počítačovým programem. Obsahem souboru jsou čísla v binární soustavě (řetězec nul a jedniček), která reprezentují jistým způsobem uloženou informaci (zvuk, obrázek, video, ale i formátovaný text, databáze apod.) • Při čtení binárního souboru je proto nutné vědět, jak uložená data interpretovat.


6


OS zajišťuje pro soubor tyto služby: • • • • • •

Vytvoření souboru s daným jménem Nastavení příznaků souboru Otevření souboru pro čtení, nebo modifikaci Čtení a modifikaci otevřeného souboru Uložení změn na paměťové médium Uzavření souboru a uložení případných provedených změn na paměťové médium


7


Struktura dat v souboru:


8


Atributy souboru • jméno – jedinečný název souboru (vzhledem k aktuálnímu adresáři) • délka – velikost v počtech bytů • typ – umožňuje odlišit typ obsažených dat, použitý program, speciální soubory (roura, soket, zařízení, …) apod. • přístupová oprávnění – kdo smí se souborem pracovat (čtení, zápis, …) pro uživatele a skupiny • vlastník – uživatel vlastnící soubor (též skupina) • časové informace – čas vytvoření – čas posledního přístupu k souboru – čas poslední změny v obsahu souboru – čas poslední změny metadat souboru • umístění vlastních dat – typicky posloupnost alokačních jednotek Lekce 7: Souborový systém

9


Adresář (složka) • Adresář (také složka) je organizační jednotka v souborovém systému na datovém médiu. • Adresář sdružuje na disku dokumenty (soubory) a další složky (podadresáře) a slouží k tomu, aby si je uživatel mohl logicky uspořádat. • Adresáře tvoří na disku stromovou strukturu. • Kvůli jednoznačnosti nemohou v jednom adresáři existovat dvě položky se shodným jménem (v tomto případě se nerozlišuje mezi souborem a adresářem).


10


Adresář • Množina datových položek uchovávajících informace o souborech uložených na diskovém oddílu • Dvě pojetí pojmu „adresář“ – adresář souborového systému na diskovém oddílu (nemusí obsahovat jména souborů) – uživatelsky dostupná struktura se jmény souborů a odkazy • Položky adresářů obsahují atributy souborů


11


Operace s adresáři • Vyhledání souboru, poskytnutí seznamu souborů • Vytvoření, zrušení či přejmenování souboru • Procházení souborovým systémem (hierarchií adresářů


12


Logická struktura adresářů • efektivita: soubor je třeba najít rychle • nezávislé pojmenovávání souborů – 2 uživatelé mohou dát různým souborům totéž jméno – 2 uživatelé mohou pojmenovat týž (sdílený) soubor různými jmény • snadné seskupování dle nějaké logické příbuznosti • struktury adresářů: – stromy – acyklické grafy – B-stromy Lekce 7: Souborový systém

13


Stromová struktura adresářů


14


Vlastnosti stromových adresářů


15


Acyklické adresáře


16


Acyklické adresáře


17


Organizace systému souborů


18


Organizace dat na disku

• Cluster (klastr, alokační jednotka) – nejmenší logická datová jednotka na disku, která je tvořena několika bloky (viz. níže uvedený obrázek) • Počet sektorů v clusteru souvisí s kapacitou disku. Čím větší je disk, tím větší bývá i velikost clusteru • I když uložíme na disk soubor o velikosti jen 1 B, obsadíme tím ve skutečnosti celý cluster. Lekce 7: Souborový systém

19


Správa velkokapacitních paměťových zařízení • Velkokapacitní záznamová zařízení uchovávají permanentně velké množství dat (na rozdíl od operační paměti) • Disk má S sektorů, H hlav a T stop (cylindrů) • Převod trojrozměrné adresy(s, h, t) na jednorozměrný prostor sektorů pomocí formule:


20


Plánování disku Čas přístupu na disk je dělen na tři části:

SEEK LATENCY

přesun hlavy na požadovaný cylindr otočení disku na začátek požadovaného sektoru TRANSFER přesun dat z disku/na disk Při velkých zátěžích v OS s více procesy nejvíce zpomaluje přístup na disk čas SEEK.


21


Obsluha požadavků na přístup k disku • Při vyřizování požadavku OS na disk je potřeba nejprve vystavit hlavy na příslušnou stopu a pak počkat, až bude požadovaný sektor pod hlavami. • U víceúlohových systémů mohou přicházet požadavky na disk rychleji, než je možné je vyřizovat. • Vyřizování požadavků v pořadí, jak přicházejí (tzv. FIFO nebo FCFS -First In First Out, First Come First Serve), není optimální.


22


Algoritmus FCFS (First Come First Served) • Žádosti v pořadí: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • Hlavy jsou na pozici 53

• Vhodný jen pro lehké zátěže Lekce 7: Souborový systém

23


Algoritmus SSTF (Shortest Seek Time First) • Žádosti v pořadí: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • Hlavy jsou na pozici 53

• Nejmenší relativní pohyb čtecí hlavy • Někdy může vést k problému „starvation“ (vyhladovění) • Diskriminace okrajových cylindrů Lekce 7: Souborový systém

24


Algoritmus SCAN (elevátor) • Žádosti v pořadí: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • Hlavy jsou na pozici 53

• Je určen směr pohybu hlav. • Z fronty jsou zpracovávány pouze požadavky postupně v určeném směru. • Po zpracování nejkrajnějšího požadavku se směr pohybu hlav obrátí. Lekce 7: Souborový systém

25


Algoritmus C-SCAN (Circular Scan) • Žádosti v pořadí: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • Hlavy jsou na pozici 53

• Posouvá hlavy pouze v jednom směru • Po zpracování nejkrajnějšího požadavku přesune hlavy opět na začátek. Lekce 7: Souborový systém

26

Principy operačních systémů

Lekce 7a: Souborový systém - implementace


Připojování adresových struktur • Souborový systém na (výměnném, dosud nedostupném) mediu se musí zpřístupnit – připojit – tzv. „namontovat“ • Připojuje se do udaného místa stávající adresářové struktury (Mount Point) • Dosavadní podstrom odkazovaný z místa, kam se montuje, přestane být dostupný


28


Základní operace se soubory • Otevření souboru = open (fd) • vyhledání záznamu o souboru pojmenovaném fd v adresářových strukturách na sekundární paměti a přesunutí tohoto záznamu do hlavní paměti do tabulky otevřených souborů • Uzavření souboru = close (fd) • přesunutí záznamu o souboru z tabulky otevřených souborů na sekundární paměť • Práce s obsahem souboru • write, read - tyto operace mění hodnotu ukazatele aktuální pozice v souboru, případně i obsah souboru • seek – změna pozice ukazatele v souboru • Rušení souboru nebo jeho obsahu • delete/remove – zrušení souboru jako celku • truncate – výmaz celého nebo části obsahu, zachovají se atributy Lekce 7: Souborový systém

29


Přístupové metody = zpřístupňování záznamů v souboru


30


Tabulky otevřených souborů


31


Tabulky otevřených souborů


32


Implementace souborových systémů


33


Virtualizace souborového systému


34


Implementace adresářů


35


Přidělování diskového prostoru


36


Přidělování souvislého diskového prostoru


37


Vázané přidělování diskového prostoru


38


Mapa disku a FAT


39


Velikost alokačního bloku FAT


40


Příklad – FAT-32 - Windows


41


Indexové přidělování bloků


42


Správa volného prostoru disku


43


NTFS = New Technology File Systém (Windows)

(Master File Table)


44


Systém souborů NTFS


45


Systém souborů NTFS


46


NTFS – MFT a systémové soubory


47


Porovnání NTFS a FAT


48


Speciální soubory POSIX


49


Pseudosoubory POSIX


50

Principy operačních systémů. Lekce 7: Souborový systém

Recommend Documents