Sistemas OperativosTema 10. Sistema de archivos

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© 1998-2008 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana –Belén Esteban

Contenidos

Interfaz del sistema de archivos

Implementación del sistema de archivos

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Interfaz del sistema de archivos

Concepto de Fichero

Métodos de acceso

Directorios

Protección

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Necesidad de gestionar el almacenamiento no volátil

SISTEMA DE COMPUTACIÓN necesitad de almacenar y recuperar informaciónCaracterística fundamental del medio de almacenamiento: NO VOLATILIDADVariedad de medios donde almacenar información: discos magnéticos, cintas magnéticas, discos ópticos, etc...

VentajaPermite elegir el medio más adecuado en función de las necesidades particulares: cantidad de información a almacenar, velocidad de acceso, fiabilidad, etc...

DesventajaRequiere conocer las particularidades de cada medio

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Concepto de archivo

Solución:Sistema Operativo abstraiga las propiedades físicas de sus dispositivos de almacenamiento¿Cómo?

Definiendo una unidad de almacenamiento lógica, el ARCHIVODefiniciones

Un almacén persistente de información accesible mediante un nombreEs una abstracción cómoda del almacenamiento secundario (tipo abstracto de datos):

Oculta la realidad física del almacenamiento (cintas, discos, etc...)Sirve para organizar la información como lo hacemos las personas

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Concepto de archivo

En general un archivo es una secuencia de bits cuyo significado el creador y usuario define

SISTEMA DE ARCHIVOS: conjunto de módulos del SO que se encargan de la gestión de la información (archivos)

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Atributos de archivo

Aparte de su contenido, todo archivo tiene atributos que lo describen:

Nombre (cadena de caracteres)

Tipo de archivo (necesario en sistemas que reconocen distintos tipos)

Ubicación en el dispositivo

Tamaño

Información de protección

Fechas, horas e identificación del usuario

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Directorios

¿ Qué estructura nos permite organizar y acceder a los archivos ?Los atributos de los archivos deben guardarse en alguna estructura: DIRECTORIO O TABLA DE CONTENIDOSLos directorios al igual que los archivos deben ser no volátiles se almacenan en discoDeben traerse a memoria cuando se necesitan

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Operaciones sobre archivos

ARCHIVO: TAD = ATRIBUTOS + OPERACIONES

OPERACIONES TIPICAS:Creación / Destrucción

Lectura / Escritura

Situarse dentro del archivo (por posición o por clave)

Cambiar atributos

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Operaciones sobre archivos

La mayor parte de las operaciones implican buscar la entrada en el directorio asociada al archivoMejora: operaciones para abrir y cerrar archivos

Tabla de archivos abiertosIndice, puntero o descriptor de fichero

Operación apertura de un ficheroEntorno multiusuario ?

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Tipos y estructuras de archivos

La información guardada puede ser de muchos tipos

Técnica común para implementar los tipos de archivos es incluir el tipo como parte del nombre del archivo (extensión)

Según el tipo de archivo estructura interna¿ Debe el SO reconocer y manejar la estructura interna de diferentes tipos de archivos que pueden existir en un sistema?

Todos los S.O. deben reconocer al menos una estructura : la de un ARCHIVO EJECUTABLE

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Métodos de accesoArchivo: secuencia de registros lógicos de longitud fija

¿De qué manera se accede a la información almacenada en los archivos?

Algunos SO ofrecen un solo método de acceso mientras que otros ofrecen diferentes métodos de acceso

ACCESO SECUENCIALSe basa en un modelo de archivo de cinta

ACCESO DIRECTO o RELATIVOSe basa en el modelo de archivo de disco

ACCESO INDEXADORequiere de estructuras adicionales: tablas de indices

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DirectoriosSistema de Archivos Miles de archivos

¿Cómo los organizamos?Particiones/Minidiscos/Volúmenes

Directorio de dispositivo, Tabla de Contenido del Volumen o simplemente Directorio

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Operaciones sobre directorios

Buscar un archivo por nombre

Crear archivos

Borrar Archivos

Renombrar archivos

Listar el directorio

Recorrer el sistema de ficheros

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Organización de directorios

Único nivel (espacio plano)

Dos niveles

Arbóreo

Grafo acíclico (enlaces)

Grafo general (enlaces sin restricciones)

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Directorio de nivel único

Estructura de directorio más sencilla: todos los archivos se guardan en el mismo directorio

Problemas:Conflictos de nombres (al aumentar el numero de ficheros)

Mala organización en sistemas multiusuario

El tiempo de búsqueda tiende a aumentar

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Directorio de dos niveles

Desventaja principal de la estructura de nivel único confusión de nombres entre diferentes usuarios

Solución natural un directorio por usuario

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Directorio de dos niveles

Se resuelve el problema de conflictos de nombres (entre diferentes usuarios)

Problema: compartir información (algunos sistemas impiden el acceso a los directorios de otros usuarios)

Aparece el concepto de ruta (path)

Archivos de sistema usuario especial

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Directorio con estructura de árbol

Directorio de dos niveles árbol de dos niveles

Generalización árbol de altura arbitraria (subdirectorios)

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Directorio con estructura de árbol

Se reducen al mínimo los conflictos de nombres

Directorio archivo que se trata de manera especial

Los nombres de los archivos son rutas sobre el árbol de directorios: rutas absolutas o relativas

Aparece el concepto de “directorio de trabajo”

Política a seguir para la eliminación de directorios

“Caminos de búsqueda ” (facilita el hecho de que varios usuarios quieran compartir ficheros)

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Directorios en grafo acíclicoLa estructura de árbol dificulta compartir archivos o directorios

Se puede generalizar el esquema de directorio con estructura de árbol permitiendo a los directorios tener subdirectorios y archivos compartidos, sin ciclos

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Directorios en grafo acíclico

¿Cómo se puede implementar?Duplicar la información (complica la consistencia)

Nueva entrada de directorio: ENLACE o LINK (es un puntero a otro archivo o directorio)

Estructura de directorios de grafo acíclico es más flexible que un árbol sencillo pero más compleja

Un mismo archivo podría tener diferentes nombres de camino absoluto -> Copias de seguridad dobles???

Eliminación ¿ Cuándo puede liberarse o reutilizarse el espacio asignado a un archivo compartido ?

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Directorios en grafo acíclico

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Organización de directorios: resumen

Directorio doble nivel

Directorio estructura árbol

Directorio estructura grafo generalProblemas

Evitar búsquedas repetidasLiberación de espacio al eliminar un archivo

Recolector de basuras (“Garbage Colection”)Consume mucho tiempo y por ello pocas veces se intenta

Usuarios pueden crear subdirectorios

Links

Caso particularDirectorio grafo acíclicoRequieren el uso de algoritmos que detecten ciclos en grafos (problema: costoso en tiempo)

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Protección de archivos

Necesidad de mantener la seguridad de la información:

De daños físicos (integridad)

Copias de seguridad

Accesos indebidos (privacidad)

Múltiples mecanismos según

Tipo sistema

Seguridad requerida

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Protección

Muchos sistemas definen privilegios de uso: cada usuario solo puede realizar ciertas operaciones sobre un archivo (acceso controlado)

Tipo de operacionesLeer, Escribir, Ejecutar, Anexar, Eliminar, Listar

Diferentes mecanismos de protecciónListas y grupos de acceso

Claves

Técnicas criptográficas

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Implementación del sistema de archivos

Estructura del Sistema de Archivos

Métodos de Asignación

Administración del espacio libre

Implementación de directorios

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Estructura del sistema de archivos

SISTEMA DE ARCHIVOS reside de manera permanente en almacenamiento secundario

Con el objetivo de aumentar la eficiencia E/S las transferencias entre la memoria y el disco se efectúan en unidades de bloques (uno o más sectores)

Discos dos características importantes que los convierten en un medio cómodo para almacenar muchos archivos

Leer bloque/ Modificarlo y volverlo a escribir (rescribir)

Se puede acceder directamente a cualquier bloque de información del disco

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Organización del sistema de archivos

Un sistema de archivos presenta dos problemas de diseño muy distintos:

Definir que aspecto debe presentar el sistema de archivos a los usuarios (atributos, operaciones, estructura de directorios, etc...)

Definir los algoritmos y estructuras de datos que permiten mapear el sistema de ficheros lógico sobre los equipos físicos

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Métodos de asignación de espacio

OBJETIVO: asignar espacio a ficheros de modo que el espacio en disco se aproveche de forma eficaz y se pueda acceder rápidamente a los archivos

Asignación Contigua

Asignación Enlazada

Asignación Indexada

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Asignación contigua

Cada fichero ocupa un conjunto de bloques contiguos en el disco (optimiza movimiento de las cabezas del disco)

Entrada de directorio para cada fichero

Dirección del bloque inicial

Longitud del área asignada al archivo (nº bloques)

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Asignación contigua

Permite manejar acceso tanto secuencial como directo

DificultadesEncontrar espacio para la creación de un fichero

Algoritmos mas utilizados

Primer ajuste (First Fit)

Mejor ajuste (Best Fit)

Desde un punto de vista de aprovechamiento del espacio no existen diferencias pero el primero suele ser mas rápido

Problema ambos algoritmos: Fragmentación ExternaSolución: Compactación (pero es una solución costosa)

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Asignación contigua

Otro problema importante:Determinar cuanto espacio se necesita para un fichero

En unas ocasiones es sencillo (cuando el archivo es copia de otro)

Otras es muy complicado:

¿Pecar por defecto?

¿Pecar por exceso?

Incluso cuando se conoce la cantidad total de espacio requerido, la preasignación puede ser ineficiente

Crecimiento lento (fragmentación interna)

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Asignación contigua con extensiones (extents)

Para evitar estas desventajas algunos SO utilizan un esquema de asignación contigua modificado

Inicialmente se asigna un trozo contiguo de espacio

Cuando se requiere mas espacio, se añade otro trozo de espacio contiguo extensiones

Ubicación de los bloques de un archivo: bloque inicial, nº bloques, enlace al primer bloque de la siguiente extensión

Sigue existiendo fragmentación interna (si las extensiones son grandes) y externa (como consecuencia de la asignación y liberación de extensiones de diferentes tamaños)

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Asignación enlazada

Cada fichero es una lista enlazada de bloques de disco

Entrada de directorio contiene:

Puntero al primer y último bloque del archivo

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Asignación enlazada: pros y contras

Se solucionan los problemas de la asignación contiguaNo se produce fragmentación externaNo es necesario declarar de antemano el tamaño del archivo

Desventajas:Solo eficiente para archivos de acceso secuencial

Espacio que ocupan los punteros (un archivo requerirá algo mas de espacio del que requeriría en otro caso)

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Asignación enlazada por clusters

Solución usual:Agrupar los bloques en grupos o clusters

Esto permite:

Correspondencia entre bloques lógicos y físicos siga siendo sencilla

Mejora el rendimiento del disco (menos búsqueda de disco)

Reduce el espacio necesario para la asignación de bloques y la administración de la lista de espacio libre

Costo de esta estrategia:

Aumento de la fragmentación interna: se desperdicia mas espacio cuando un cluster está parcialmente lleno que cuando lo esta un bloque

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Asignación enlazada

Confiabilidad (¿Que sucedería si un puntero se perdiera o deteriorara ?)

Soluciones

Listas doblemente enlazadas

Almacenar el nombre del archivo y el numero de bloque relativo en cada bloque

Problema: gasta extra de espacio

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Asignación enlazada con FAT

Variación del método de asignación enlazadaFAT (Tabla de asignación de archivos, FileAllocation Table)

Se aparta una sección del disco al principio de cada partición para guardar en ella la tabla

Empleado en MS-DOS y las tarjetas de memoria flash

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Asignación Enlazada con FAT

Si no está en caché puede dar lugar a un número significativo de movimientos de la cabeza del disco

La cabeza debe moverse al principio de la partición para leer la FAT y encontrar el bloque en cuestión y luego moverse a la posición del bloque en sí.

En el peor caso ocurrirán ambos movimientos para cada uno de los bloques

Beneficio: mejora el tiempo de acceso aleatorio ya que se puede encontrar la posición de cualquier bloque leyendo la información en la FAT.

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Asignación indexada

La asignación enlazada resolvía los problemas de la asignación contigua

fragmentación externa y declaración anticipada del tamaño de los archivos

Problema: si no se usa FAT no se puede implementar un acceso directo EFICIENTE (punteros dispersos junto con los bloques)

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Asignación indexada (2)

SOLUCION: Reunir todos los punteros en el mismo lugar bloque de índices

La i-ésima entrada del bloque índice apunta al i-ésimo bloque del archivo

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Asignación indexada: pros y contras

Soporta acceso directo sin sufrir fragmentación externa

Desventaja: Desperdicia espacio (peor que en el caso de la asignación encadenada, p. Ej. Fichero que ocupe 1 o 2 bloques)

¿ Qué tamaño debería tener el bloque de índices?

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Asignación indexada: tamaño del bloque de índices

Cada archivo debe tener un bloque índice conviene que el bloque sea lo mas pequeño posible (normalmente ocupa un bloque de disco)

Pero, si es demasiado pequeño no podrá tener suficientes punteros para un archivo grande. Soluciones:

Esquema Enlazado

Índice multinivel

Esquema combinado (BSD UNIX)

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Asignación Indexada: esquema multinivel de Unix

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Administración del espacio libre

Vector de bitsCada bloque se representa como un bit, que puede estar asignado (1) o libre(0)

Lista enlazadaEl SO mantiene un apuntador al primer bloque libre. Este a su vez apuntará al siguiente bloque libre, etc

Lista enlazada con información de bloques libresEl primer bloque libre se comporta como un “bloque índice” de bloques libresVariante: incluir nº bloques consecutivos

FAT

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Implementación de directorios

Lista linealLista lineal de nombres de archivos con punteros a los bloques de datos

Sencillo de implementar (vector) pero costoso en tiempo

Operaciones

Creación, eliminación

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Implementación de directorios

Tabla de Dispersión (o Tabla Hash)

Las entradas de directorio se guardan también en una lista lineal

Nombre de archivo puntero a la entrada de ese archivo en la lista lineal

Búsqueda, Creación y Eliminación: operaciones rápidas y fáciles de implementar

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Implementación de directorios

Problema:Colisiones

Tamaño de la tabla es fijo

La Función de Dispersión depende del tamaño de la tabla

Agrandar tabla implica reubicación total

Mejora: tratar las colisiones mediante listas enlazadas en cada entrada

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Ficheros: sumario (1)

Interfaz con el sistema de archivos

Ficheros

Directorios

TAD

Tipos de accesoSecuencialDirectoIndexado

DatosAtributosOperaciones ← mejora: tabla de archivos abiertos

ParticionesOperacionesProtección

Organización

Único nivelDos nivelesÁrbolGrafo sin ciclos Grafo con ciclos

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Ficheros: sumario (2)

Implementación del sistema de archivos

Métodos de asignación

Administración del espacio libre

Implementación de directorios

Contigua

Enlazada

Indexada

SimpleCon extensiones

SimplePor clustersFAT

SimpleEnlazadoMúltiples nivelesCombinado

Vector de bitsLista enlazada de bloques libresLista enlazada con info. de bloques libresFAT

Tabla linealTabla de dispersión (hash)

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