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Sistemas OperativosTema 10. Sistema de archivos
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© 1998-2008 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana –Belén Esteban
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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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