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  1. Sistemas operacionais Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação

  2. Sistema de arquivos * Baseado no material da Profa. Maria Clicia Stelling de Castro - UERJ

  3. Introdução • O sistema de arquivos é a parte mais visivel do SO • Cria um recurso lógico a partir de recursos fisicos através de uma interface coerente, simples e fácil de usar • Mecanismos de armazenamento de dados e acesso a programas • Duas partes básicas • Arquivos • Armazenamento de dados e programas • Diretórios • Organização e informações de arquivos

  4. Objetivos do sistema de arquivos • Fornecer mecanismos para o usuário manipular arquivos e diretórios • Garantir a validade e coerencia dos dados • Minimizar ou eliminar o risco de perda / alteração das informações • Otimizar o acesso • Fornecer suporte a outros sistemas de arquivos • Suporte a varios usuarios (multiprogramação) • Uso compartilhado (proteção e acesso concorrente)

  5. Requisitos minimos: ponto de vista do usuario • Cada usuário deve ser capaz de: • Criar, apagar, ler e alterar arquivos • Controlar as permissões de acesso a seus arquivos • Nomear arquivos de forma simbólica • Estruturar os arquivos de forma a adequa-los a suas necessidades especificas • Criação de diretórios e subdiretórios • Realizar backups e restarurar em caso de perdas

  6. Requisitos minimos: ponto de vista do sistema • O SO deve ser capaz de : • Descrever a localização de todos os arquivos e seus atributos • Via diretório • Gerenciar espaço físico de disco • Alocar blocos • Liberar blocos de arquivos removidos • Mecanismos para localizar eficientemente blocos (setores) que compoem arquivos

  7. Conceitos básicos • Arquivo: um conjunto de informações, identificado por um nome • Sistema de arquivos: a parte do sistema operacional que gerencia o armazenamento de arquivos e provê facilidades de acesso a arquivos Diretório: tabela de símbolos que permite identificar informações sobre os arquivos • Partição: Abstração que permite a partir do disco físico criar discos lógicos

  8. Conceito de Arquivo • Um arquivo é um espaço de endereçamento lógico e contíguo. • Tipos: • Dados • númerico • caracter • Binário • Programa

  9. Estrutura do Arquivo • Nenhuma - seqüência de palavras ou bytes. • Estrutura de Registros Simples • Linhas • Tamanho Fixo • Tamanho Variável • Estruturas Complexas • Formatado por Documento • Quem decide o formato do arquivo é o criador do mesmo (usuário, sistema operacional, operador).

  10. Atributos do Arquivo • Nome • Tipo • Localização • Tamanho • Proteção • Data, hora e identificador de usuário • Informações sobre os arquivos são mantidas em estruturas de diretórios, as quais são mantidas em um disco.

  11. Operações em Arquivo • Criação • Escrita • Leitura • Reposicionamento de ponteiro dentro do arquivo • Remoção • Abertura • Fechamento

  12. Armazenamento • Meios físicos de armazenamento comuns: fitasmagnéticas e discos • Organização de disco: superfícies, trilhas e setores

  13. Armazenamento

  14. Gerenciamento de Espaço em Disco • O sistema de arquivos deve ser capaz de: • controlar a área de espaço livre nos discos: SO possui uma lista de espaços livres • utilizar métodos de acesso às informações: modo seqüencial ou direto • utilizar métodos de alocação que sejam convenientes e eficientes: métodos contíguo, encadeado ou indexado

  15. Lista de Espaços Livres • Registra o endereço de todos os blocos que estão livres no disco • mapa de bits: sistema de arquivos mantém um vetor de bits, com um bit para cada bloco de disco • Exemplo: 00111011 os blocos 0, 1 e 5 estão livres • mapa de bits permite controle mais compacto dos blocos de disco livres

  16. Lista de Espaços Livres • lista encadeada: sistema de arquivos mantém uma lista encadeada de blocos, a lista possui o ponteiro do primeiro bloco e • cada bloco contém um ponteiro para o próximo bloco livre • o ponteiro dos n blocos livres são armazenados no primeiro bloco. Se necessário, última posição do bloco é o ponteiro para outro bloco contendo ponteiros para outros n blocos livres • número n de blocos livres contíguos

  17. Métodos de Acesso Seqüencial: blocos acessados em ordem • Direto: o arquivo é visto como uma seqüência numerada de blocos • bloco • tamanho fixo, definido pelo SO • pode ser lido ou escrito aleatoriamente

  18. Organização de arquivos Problema: Como armazenar diversos arquivos dentrode um único vetor de blocos lógicos ? Cada arquivo também deve ser visto comouma seqüência de blocos lógicos. Restrições: flexibilidade de alocação rapidez de acesso (seqüencial e aleatório) eficiência no uso do espaço real em disco

  19. Organização de arquivos readme.txt prova.doc aula.pdf 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 Arquivos ? 0 1 2 3 4 5 6 7 Vetor deblocoslógicos Dispositivofísico

  20. Técnicas de alocação Formas de mapear os blocos dos arquivos em posições no vetor de blocos lógicos Alocação contígua de arquivos Alocação em listas encadeadas listas diretas ou listas indexadas Alocação indexada

  21. Alocação contígua de arquivos Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos lógicos consecutivos. Não há blocos vazios entre os blocos de um mesmo arquivo. Para cada arquivo, o diretório informa seu bloco de início e o no de blocos.

  22. Alocação contígua readme.txt 010 003 prova.doc 002 008 Aula.pdf 017 005 0 1 2 3 4 5 6 7 arquivo inicio #blocos

  23. Alocação contígua

  24. Alocação contígua Vantagens: Simplicidade de implementação. Rapidez de acesso aos arquivos: todos os blocos do arquivo estão próximos. Facilidade de acesso seqüencial e aleatório: sequencial: basta ler os blocos consecutivos aleatório: posições internas podem ser facilmente calculadas a partir da posição do bloco inicial.

  25. Alocação contígua Desvantagens: Pouca flexibilidade no crescimento dos arquivos. Tamanho máximo do arquivo deve ser conhecido no momento da alocação. Ocorrência de fragmentação externa. Necessidade de desfragmentação periódica.

  26. Fragmentação externa Espaços vazios entre blocos de arquivos. À medida que o sistema evolui: arquivos são criados e removidos mais espaços vazios aparecem. os espaços vazios ficam menores. Alocar novos arquivos torna-se difícil !

  27. Evolução da fragmentação aloca aloca remove remove remove aloca aloca t Agora, como alocar um arquivo com 4 blocos ?

  28. Desfragmentação Mover arquivos para reagrupar os fragmentos em espaços maiores Visa permitir alocar arquivos maiores Deve ser feita periodicamente Uso de algoritmos para minimizar movimentação de arquivos (rapidez)

  29. Estratégias de desfragmentação Situação inicial Moveu 6 blocos Moveu 4 blocos Moveu 2 blocos

  30. Estratégias de alocação First-fit: usar o primeiro espaço livre maior rapidez de alocação pouca preocupação com fragmentos Best-fit: usar o menor espaço livre usar o melhor possível os espaços em disco fragmentos residuais são pequenos Worst-fit: usar o maior espaço livre fragmentos residuais são maiores (mais úteis)

  31. Alocando um arquivo c/ 2 blocos Situação inicial First-fit Best-fit Worst-fit

  32. Alocação encadeada Os arquivos são armazenados como listas de blocos cada bloco aponta para o próximo diretório aponta para o bloco inicial os blocos podem estar espalhados Base de funcionamento da FAT sistema de arquivos Windows

  33. Alocação encadeada readme.txt 010 003 prova.doc 002 008 Aula.pdf 017 005 arquivo inicio #blocos

  34. Alocação encadeada

  35. Alocação encadeada Vantagens não há fragmentação externa todo o disco pode ser usado tamanho dos arquivos pode ser mudado facilmente Desvantagens acesso aleatório é mais demorado maior fragilidade em caso de problemas

  36. Alocação indexada Baseada em tabelas de blocos um bloco especial guarda a tabela de blocos do arquivo: index-node (i-node) diretório aponta para os i-nodes blocos podem estar espalhados Base de funcionamento do UNIX

  37. Alocação indexada • Os INODES contêm informações a respeito de arquivos e diretórios no sistema de arquivos. • A única coisa que inode não contém é o • nome do arquivo. • O INODE contém informações sobre as permissões do arquivo, contagem de links, blocos duplicados, blocos ruins, associações de tamanho, e ponteiros para os blocos de dados. • O INODE possui também apontadores para os blocos de dados dos arquivos. • EX:Solaris , cada INODE possui 16 destes apontadores. Os apontadores de 0 a 11 apontam para os 12 primeiros blocos de dados do arquivo (blocos • diretos). Os apontadores 12 e 13 apontam para blocos indiretos

  38. Alocação indexada arquivo inicio #blocos readme.txt 010 003 prova.doc 002 008 Aula.pdf 017 005 I-node

  39. Alocação Indexada

  40. Alocação indexada Vantagens não há fragmentação externa todo o disco pode ser usado acesso rápido robustez em caso de problemas Desvantagens gerência mais complexa espaço em disco perdido com os i-nodes

  41. Fragmentação interna Arquivos são alocados em blocos: Os blocos têm tamanho fixo. Entre 512 bytes e 8 Kbytes. Um bloco não pode ser alocado parcialmente. Se usarmos blocos de 4096 bytes: um arquivo de 5700 bytes ocupará 2 blocos. 2492 bytes serão perdidos no último bloco. Em média, perde-se 1/2 bloco por arquivo.

  42. Tamanho dos blocos A escolha do tamanho dos blocos é importante para a eficiência do sistema. Blocos pequenos: menor perda por fragmentação interna mais blocos por arquivo: maior custo de gerência Blocos grandes: maior perda por fragmentação interna menos blocos por arquivo: menor custo de gerência

  43. Sistema de Diretórios  • Acesso à arquivos a partir do nome • Mapeamento: nome do arquivo x blocos diretório • Diretório arquivo especial, armazena • registros de tamanho fixo = entradas de diretório • informações relacionadas • ao dispositivo físico: nome, localização, tamanho, modo de alocação • à organização lógica: nome, tipo do arquivo, proprietário, código de proteção • Outras informações: posição corrente, proteção, contabilidade de uso, tempo, data, identificação doprocesso 

  44. Sistema de Diretórios • Operações realizadas num diretório • busca, criação, remoção, listar conteúdo, cópias para backup • Estruturas de diretório organizam os arquivos presentes no sistema  

  45. Diretório de um Único Nível

  46. Diretórios de Dois Níveis • Cada usuário tem seu próprio diretório de arquivo de usuário (UFD) • Cada diretório de usuário tem uma estrutura similar • Diretório de arquivo mestre (MFD) • Isola usuários • Problema: compartilhamento de arquivos, se for permitido path name 

  47. Diretório Estruturado em Árvore • Possui um diretório raíz • Diretórios dos usuários são intermediários • Podem criar seus próprios subdiretórios e organizar seus arquivos

  48. Diretório Estruturado em Árvore • Path name • completo: define o caminho da raíz ao arquivo • relativo: define o caminho do diretório corrente ao arquivo • Apagar diretório depende da política de decisão • só se diretório estiver vazio • Assumir que deve apagar todos os arquivos e subdiretórios que estiverem contidos • Default: não há compartilhamento de arquivos ou subdiretórios 

  49. Diretório em Grafo Acíclico • Permite compartilhamento de arquivos e subdiretórios • Generalização do esquema de diretório estruturado em árvore

  50. Diretório em Grafo Acíclico • Compartilhamento pode ser implementado por • link: é criado um ponteiro,para outro arquivo ou subdiretório • duplicar informações: pode gerar inconsistências de informação • lista de referências ao arquivo: entradas no diretório ou links simbólicos