Principy operačních systémů. Lekce 7: Souborový systém

Transkript

1 Principy operačních systémů Lekce 7: Souborový systém

2 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, ). Lekce 7: Souborový systém 2

3 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. Lekce 7: Souborový systém 3

4 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. Lekce 7: Souborový systém 4

5 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.) Lekce 7: Souborový systém 5

6 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. Lekce 7: Souborový systém 6

7 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 Lekce 7: Souborový systém 7

8 Struktura dat v souboru: Lekce 7: Souborový systém 8

9 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

10 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). Lekce 7: Souborový systém 10

11 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 Lekce 7: Souborový systém 11

12 Operace s adresáři Vyhledání souboru, poskytnutí seznamu souborů Vytvoření, zrušení či přejmenování souboru Procházení souborovým systémem (hierarchií adresářů Lekce 7: Souborový systém 12

13 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

14 Stromová struktura adresářů Lekce 7: Souborový systém 14

15 Vlastnosti stromových adresářů Lekce 7: Souborový systém 15

16 Acyklické adresáře Lekce 7: Souborový systém 16

17 Acyklické adresáře Lekce 7: Souborový systém 17

18 Organizace systému souborů Lekce 7: Souborový systém 18

19 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

20 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: Lekce 7: Souborový systém 20

21 Plánování disku Čas přístupu na disk je dělen na tři části: SEEK přesun hlavy na požadovaný cylindr LATENCY 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. Lekce 7: Souborový systém 21

22 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. Lekce 7: Souborový systém 22

23 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

24 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

25 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

26 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

27 Principy operačních systémů Lekce 7a: Souborový systém - implementace

28 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 Lekce 7: Souborový systém 28

29 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

30 Přístupové metody = zpřístupňování záznamů v souboru Lekce 7: Souborový systém 30

31 Tabulky otevřených souborů Lekce 7: Souborový systém 31

32 Tabulky otevřených souborů Lekce 7: Souborový systém 32

33 Implementace souborových systémů Lekce 7: Souborový systém 33

34 Virtualizace souborového systému Lekce 7: Souborový systém 34

35 Implementace adresářů Lekce 7: Souborový systém 35

36 Přidělování diskového prostoru Lekce 7: Souborový systém 36

37 Přidělování souvislého diskového prostoru Lekce 7: Souborový systém 37

38 Vázané přidělování diskového prostoru Lekce 7: Souborový systém 38

39 Mapa disku a FAT Lekce 7: Souborový systém 39

40 Velikost alokačního bloku FAT Lekce 7: Souborový systém 40

41 Příklad FAT-32 - Windows Lekce 7: Souborový systém 41

42 Indexové přidělování bloků Lekce 7: Souborový systém 42

43 Správa volného prostoru disku Lekce 7: Souborový systém 43

44 NTFS = New Technology File Systém (Windows) (Master File Table) Lekce 7: Souborový systém 44

45 Systém souborů NTFS Lekce 7: Souborový systém 45

46 Systém souborů NTFS Lekce 7: Souborový systém 46

47 NTFS MFT a systémové soubory Lekce 7: Souborový systém 47

48 Porovnání NTFS a FAT Lekce 7: Souborový systém 48

49 Speciální soubory POSIX Lekce 7: Souborový systém 49

50 Pseudosoubory POSIX Lekce 7: Souborový systém 50