Sistemas OperativosSistemas OperativosTema 5. Sistemas de Tema 5. Sistemas de

archivosarchivos

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© 1998-2014 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana – Belén Esteban

ContenidosContenidos

Interfaz del sistema de archivos

Implementación del sistema de archivos

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Interfaz del sistema de Interfaz del sistema de archivosarchivos

Concepto de archivo/fichero Métodos de acceso Directorios Protección

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Necesidad de gestionar el Necesidad de gestionar el almacenamiento no volátilalmacenamiento no volátil SISTEMA DE COMPUTACIÓN necesitad de

almacenar y recuperar información Característica fundamental del medio de

almacenamiento: NO VOLATILIDAD Variedad de medios donde almacenar información:

discos magnéticos, cintas magnéticas, discos ópticos, etc... Ventaja

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

Desventaja Requiere conocer las particularidades de cada medio

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Concepto de archivoConcepto de archivo Solución:

Sistema Operativo abstraiga las propiedades físicas de sus dispositivos de almacenamiento

¿Cómo? Definiendo una unidad de almacenamiento lógica, el ARCHIVO

Definiciones Un almacén persistente de información accesible mediante

un nombre Es 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 archivoConcepto 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 archivoAtributos 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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DirectoriosDirectorios

¿ Qué estructura nos permite organizar y acceder a los archivos ?

Los atributos de los archivos deben guardarse en alguna estructura: DIRECTORIO O TABLA DE CONTENIDOS

Los directorios al igual que los archivos deben ser no volátiles se almacenan en disco

Deben traerse a memoria cuando se necesitan

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Operaciones sobre archivosOperaciones 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 archivosOperaciones sobre archivos

La mayor parte de las operaciones implican buscar la entrada en el directorio asociada al archivo

Mejora: operaciones para abrir y cerrar archivos Tabla de archivos abiertos Indice, puntero o descriptor de fichero

Operación apertura de un fichero Entorno multiusuario ?

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Tipos y estructuras de Tipos y estructuras de archivosarchivos 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 accesoMétodos de acceso Archivo: 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 SECUENCIAL Se basa en un modelo de archivo de cinta

ACCESO DIRECTO o RELATIVO Se basa en el modelo de archivo de disco

ACCESO INDEXADO Requiere de estructuras adicionales: tablas de indices

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DirectoriosDirectorios Sistema 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 directoriosOperaciones 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 directoriosOrganización de directorios Único nivel (espacio plano) Dos niveles Arbóreo Grafo acíclico (enlaces) Grafo general (enlaces sin restricciones)

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Directorio de nivel únicoDirectorio 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 nivelesDirectorio 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 nivelesDirectorio 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 Directorio con estructura de árbolárbol

Directorio de dos niveles árbol de dos niveles

Generalización árbol de altura arbitraria (subdirectorios)

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Directorio con estructura de Directorio con estructura de árbolárbol 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 acíclicoDirectorios en grafo acíclico La 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 acíclicoDirectorios 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 acíclicoDirectorios en grafo acíclico

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Organización de directorios: Organización de directorios: resumenresumen

Directorio doble nivel

Directorio estructura árbol

Directorio estructura grafo general Problemas

Evitar búsquedas repetidas

Liberación 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 particular Directorio grafo

acíclico Requieren el uso de

algoritmos que detecten ciclos en grafos (problema: costoso en tiempo)

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Protección de archivosProtección 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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ProtecciónProtección

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

Tipo de operaciones Leer, Escribir, Ejecutar, Anexar, Eliminar, Listar

Diferentes mecanismos de protección Listas y grupos de acceso Claves Técnicas criptográficas

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Implementación del sistema de Implementación del sistema de archivosarchivos Estructura del Sistema de Archivos Métodos de Asignación Administración del espacio libre Implementación de directorios

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Estructura del sistema de Estructura del sistema de archivosarchivos 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 Organización del sistema de archivosarchivos 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 Métodos de asignación de espacioespacio

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 contiguaAsignación 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 contiguaAsignación contigua

Permite manejar acceso tanto secuencial como directo

Dificultades Encontrar 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 Externa Solución: Compactación (pero es una solución costosa) 32

Asignación contiguaAsignación 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 Asignación contigua con extensiones (extensiones (extentsextents)) Para evitar estas desventajas algunos SO permiten fragmentar el archivo (NTFS, XFS…):

Inicialmente se asigna un trozo contiguo de espacio

Cuando se requiere más 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 enlazadaAsignación 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 Asignación enlazada: pros y contrascontras

Se solucionan los problemas de la asignación contigua

No se produce fragmentación externa No 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 Asignación enlazada por clustersclusters 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 37

Asignación enlazadaAsignación 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 FATAsignación enlazada con FAT

Variación del método de asignación enlazada

FAT (Tabla de asignación de archivos, File Allocation 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 FATAsignación 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 indexadaAsignación 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)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 Asignación indexada: pros y contrascontras 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 Asignación indexada: tamaño del bloque de índicesdel 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 Asignación Indexada: esquema multinivel de Unixmultinivel de Unix

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Administración del espacio Administración del espacio librelibre Vector de bits

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

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

Lista enlazada con información de bloques libres

El primer bloque libre se comporta como un “bloque índice” de bloques libres

Variante: incluir nº bloques consecutivos

FAT46

Implementación de directorios Implementación de directorios

Implementación básica: lista lineal Lista de nombres de archivos con punteros a los bloques de

datos, más otros atributos. Sencillo de implementar (vector), pero rendimiento pobre en

directorios con muchas entradas.

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Implementación de directoriosImplementación de directorios

Los sistemas modernos usan estructuras más eficientes: Tabla hash Árboles B* (NTFS, ext4…)

Los árboles B* funcionan muy bien en directorios con muchas entradas, sin penalizar demasiado el coste de almacenamiento de la estructura y el código adicional.

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Implementación de directoriosImplementación 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)Ficheros: sumario (1)

Interfaz con el sistema de archivos

Ficheros

Directorios

TAD

Tipos de accesoSecuencialDirectoIndexado (ISAM)

DatosAtributosOperaciones ← mejora: tabla de archivos abiertos

ParticionesOperacionesProtección

Organización

Único nivelDos nivelesÁrbolGrafo sin ciclos Grafo con ciclos

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Ficheros: sumario (2)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 libresFATTabla linealTabla de dispersión (hash)Árbol B*

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