Laface 2001 - Bach 12.1 Sistemi Operativi Modulo 12: File System Livelli logici per laccesso ai file...

Sistemi Operativi Laface 2001 - Bach12.1

Modulo 12: File System

• Livelli logici per l’accesso ai file

• Organizzazione dei file su disco

• Organizzazione di un File System di UNIX


Livelli logici per l’accesso ai file

Tape device driverDisk device driver

Basic File System

Basic I/O Supervisor

Logical I/O

Pile SequenzialiSequenziali indicizzati

Indicizzati Hash

Programmi utente


Strutture di file

• Pila : i dati sono organizzati in record di dimensioni non definita mantenuti nell’ordine con il quale arrivano

• I file sequenziali : hanno una struttura formata da record di dimensione fissa e tutti con la stessa suddivisione in campi. – Un campo, detto chiave del record, permette di identificare un record in maniera univoca e quindi di stabilire un ordinamento tra i record.


Strutture di file

• I file sequenziali indicizzati memorizzano delle informazioni ulteriori per accelerare l’introduzione e la ricerca dei dati.

1. un file di indice con il quale gestire gli accessi casuali

2. un file di overflow per consentire gli inserimenti di nuovi elementi mantenendo l’ordinamento complessivo.

Main File

Overflow File

Indice

Livelli di

Indicizzazione

12


Strutture di file

• I file ad accesso diretto o gestiti mediante hashing– I record non necessitano un ordinamento sequenziale.– Sono usati qualora sia necessario un accesso molto

rapido ed i record hanno dimensione fissa.

Primary File Overflow File

Chiave

Funzione di hash

f


Directory

reorder

spell programs bin

stat dist mail p mail e find hex count

exp prog prt copy reorder list find hex count

list spell obj all first last


Funzioni di accesso ai file

nomi dei file

Operazioni,

Comandi utente

Gestione delle directory

Controllo degli accessi degli

utenti

Struttura dei file

Funzioni di manipolazione

dei file

Metodi di accesso

Record

Gestione dei blocchi

Blocchi fisici nei buffer in memoria principale

Scheduling del disco

Funzioni del File management

Allocazione dei file

Blocchi fisici in memoria secondaria

Gestione dello spazio libero

Funzioni del Sistema Operativo


Organizzazione dei file su disco

• Descrittore del file

– Tipo del file

– Tipo di file system

– Volume

– Indirizzo di partenza

– Dimensioni

– Owner

– Azioni permesse

– Informazioni d’uso (quando/chi ha scritto/letto/modificato per ultimo, …)


Allocazione contigua

• Vantaggio: velocità d’accesso

• Svantaggi: frammentazione dello spazio disponibile


Allocazione linkata

10

3210

7654

1198

15141312

19181716

23222120

27262524

31302928

10

16 25

1

-1

File Blocco inizio Blocco di fine

prova 9 25

directory


Allocazione linkata - FAT

test 217 ......

elemento della directory

nome blocco iniziale

618

fine del file

339

FAT

Numero dei blocchi

0

217

339

618

-1

217


Allocazione indicizzata

10

3210

7654

1198

15141312

19181716

23222120

27262524

31302928

19

File Blocco indice prova 19

directory

91611025-1


Organizzazione di un File System di UNIX

Blocco di boot

Super blocco

Lista degli inode

Blocchi di dati


Organizzazione di un File System di UNIX

• il blocco di boot risiede generalmente nel primo settore che costituisce il File System e contiene il codice di bootstrap che viene eseguito dalla macchina all’avviamento

• il superblocco serve per descrivere lo stato del File System ovvero la sua dimensione, quanti file può contenere, dove trovare spazio libero sul disco ed altre informazioni

• la lista degli inode contiene tutti I descrittori disponibili nel sistema e la sua dimensione dipende da quanto specificato in fase di configurazione del sistema

• i blocchi di dato contenenti i file utente e quelli di gestione del sistema


Inode

• Proprietario: il possesso del file è condiviso tra un proprietario ed un gruppo. Il Super User ha diritto di accesso a tutti i file del sistema.

• Tipo di file: normale, directory, speciale a blocchi o a caratteri,..

• Permessi di accesso al file: tre classi di utenti: proprietario, gruppo del proprietario e altri utenti.

– I permessi di lettura, scrittura ed esecuzione possono essere fissati individualmente per ogni classe.

– Poiché le directory non possono essere eseguite, i permessi di esecuzione per una directory consentono l’attraversamento della directory.

• Tempi di accesso al file: riportano l’ultima volta che il file è stato modificato, riferito e l’ultima volta che è stato modificato l’inode.

• Numero di link al file

• Dimensione del file

• Tabella degli indirizzi di disco dei dati in un file


Esempio di Inode

Proprietario: laftes1

Gruppo: laface

Tipo: file ordinario

Permessi: rwxr-xr-x

Accesso: 23 Ottobre 2001 h: 8:15

Modificato: 22 Ottobre 2001 h: 10:30

Inode: 23 Ottobre 2001 h: 13:30

Dimensione: 3050 byte

Indirizzi su disco (13 puntatori)


Copia di un Inode in memoria

• ll numero dell’inode

• Lo stato dell’inode che indica se

– l’inode è occupato

– la copia in memoria dell’inode è diversa da quella su disco a causa degli aggiornamenti che ancora non sono stati registrati

– il file è un punto di mount

• il numero del device logico del File System che contiene il file

• un contatore di quanti riferimenti al file sono contemporaneamente attivi

• i puntatori ad altri inode in memoria, al fine di poterli organizzare in code e liste come già visto per i buffer


Funzioni di gestione del File system

algoritmi di allocazione dei buffer

getblk brelse bread breada bwrite

iget iput bmap

namei alloc free ialloc ifree


iget

• La funzione iget alloca in memoria una copia dell’inode associato al file restituendo in output un inode con un contatore di riferimenti incrementato di 1 (hash table e cache per efficienza).

• L’inode viene bloccato durante una chiamata di sistema per evitare che altri processi possano accedervi contemporaneamente e creare situazioni inconsistenti. Il blocco viene rilasciato solo alla fine della chiamata.

• Nel caso l’inode non sia presente nella coda hash, viene ricercato il primo inode disponibile presente nella free list ed occupato.

• Nel caso la free list sia vuota, il kernel restituisce un errore.


igetprocedura igetinput: numero di inode nel file systemoutput: inode bloccato{while (non fatto){ if (inode nella cache di inode){ if (inode bloccato){

sleep (evento inode libero);continue;

} if (inode nella free list di inode)

togli inode dalla free list; incrementa contatore di riferimenti all’inode; return inode; }

/* inode non presente nella cache di inode */ if (nessun inode nella free list) return errore; togli il nuovo inode dalle free list; azzera numero di inode e di file system; togli inode dalla vecchia coda hash, inserisci nella nuova; leggi inode da disco (procedura bread); inizializza inode; return inode;}}

procedura igetinput: numero di inode nel file systemoutput: inode bloccato{while (non fatto){ if (inode nella cache di inode){ if (inode bloccato){

sleep (evento inode libero);continue;

} if (inode nella free list di inode)

togli inode dalla free list; incrementa contatore di riferimenti all’inode; return inode; }

/* inode non presente nella cache di inode */ if (nessun inode nella free list) return errore; togli il nuovo inode dalle free list; azzera numero di inode e di file system; togli inode dalla vecchia coda hash, inserisci nella nuova; leggi inode da disco (procedura bread); inizializza inode; return inode;}}


Struttura di un file normale

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

indiretto singolo

indiretto doppio

indiretto triplo

I-node Blocchi di dati


Index block

• 10 blocchi diretti da 1 Kbyte ciascuno = 10 Kbyte

• 1 blocco indiretto con 256 blocchi diretti = 256 Kbyte

• 1 blocco doppiamente indiretto con 256 blocchi indiretti = 64 Mbyte

• 1 blocco triplamente indiretto con 256 blocchi

doppiamente indiretti = 16 Gbyte


iput

• La procedura di rilascio di un inode iput viene invocata quando viene eseguita la close di un file.

• Viene bloccato l’inode per evitare inconsistenze.

• Contatore di riferimenti è decrementato.

• Se tale contatore vale zero, il kernel scrive l’inode su disco se la copia presente in memoria differisce da quella su disco.

• Inoltre, non essendoci più alcuna copia attiva del file, l’inode deve essere liberato e riposto nella free list.

• Il kernel rilascia anche tutti i blocchi di dati associati al file e libera l’inode nel caso il numero di link sia zero.


iput

procedura iputinput: puntatore all’inode in memoriaoutput: nessuno{blocca l’inode se non è già bloccato;decrementa il contatore di riferimenti dell’inode;if (contatore di riferimenti == 0){ if (contatore di link all’inode == 0) { libera blocchi di disco del file (procedura free); pone tipo file a = 0; libera inode (procedura ifree); } if (file acceduto o file cambiato o inode cambiato) aggiorna inode di disco; metti inode nella free list; } rilascia blocco inode;}

procedura iputinput: puntatore all’inode in memoriaoutput: nessuno{blocca l’inode se non è già bloccato;decrementa il contatore di riferimenti dell’inode;if (contatore di riferimenti == 0){ if (contatore di link all’inode == 0) { libera blocchi di disco del file (procedura free); pone tipo file a = 0; libera inode (procedura ifree); } if (file acceduto o file cambiato o inode cambiato) aggiorna inode di disco; metti inode nella free list; } rilascia blocco inode;}


bmap

• serve per convertire un offset in byte all’interno di un file nel corrispondente numero di blocco fisico su disco.

• dato un offset, ricava tramite l'uso delle catene di puntatori presenti nell’inode, qual è il blocco nel quale sono effettivamente presenti i dati richiesti, e restituisce un puntatore a quel blocco.


bmapprocedura bmap input: (1) inode (2) offset in byteoutput:(1) numero blocco nel file system,(2) offset in byte nel blocco(3) byte di I/O nel blocco. (4) numero blocco per lettura in avanti{calcola numero blocco logico nel file dall’offset in byte;calcola byte iniziale nel blocco per l’I/O;calcola numero di byte da copiare per l’utente;controlla se è applicabile la lettura in avanti, marca l’inode;determina il livello di indirezione;while (non al necessario livello di indirezione){ calcola indice nell’inode e il blocco indirizzato dal numero di blocco logico nel file; prende il numero di blocco del disco dall’inode o dal blocco indiretto; (eventuale brelse) if (non altri livelli di indirezione) return numero blocco; legge blocco indiretto; sistema il numero di blocco logico nel file a seconda del livello di indirezione;}}

procedura bmap input: (1) inode (2) offset in byteoutput:(1) numero blocco nel file system,(2) offset in byte nel blocco(3) byte di I/O nel blocco. (4) numero blocco per lettura in avanti{calcola numero blocco logico nel file dall’offset in byte;calcola byte iniziale nel blocco per l’I/O;calcola numero di byte da copiare per l’utente;controlla se è applicabile la lettura in avanti, marca l’inode;determina il livello di indirezione;while (non al necessario livello di indirezione){ calcola indice nell’inode e il blocco indirizzato dal numero di blocco logico nel file; prende il numero di blocco del disco dall’inode o dal blocco indiretto; (eventuale brelse) if (non altri livelli di indirezione) return numero blocco; legge blocco indiretto; sistema il numero di blocco logico nel file a seconda del livello di indirezione;}}


Esempio di Inode

4096

228

45423

0

0

11111

0

101

367

0

428

9156

824

I-node

367 blocco di dati331

9156 indirezione doppia

3333

331 indirezione singola

3333 blocco di dati


Directory

• r: la directory è leggibile e quindi il suo contenuto può essere visualizzato

• w: è possibile creare nuove entry o rimuovere quelle già presenti attraverso le chiamate di sistema creat, mknod, link ed unlink

• x: un processo può attraversare la directory, cioé leggere il contenuto degli Inode associati ai nomi di file contenuti nella directory.


1.mkdir junk2.for i in 1 2 3 4 53.do 4.echo salve > junk/$i5.done6.ls -ld junk7.ls -l junk8.chmod -r junk9.ls -ld junk10.ls junk11.ls -l junk12.cd junk13.pwd14.ls -l15.echo *16.cd ..17.chmod +r junk18.chmod -x junk19.ls junk20.ls -l junk21.cd junk22.chmod +x junk

1.mkdir junk2.for i in 1 2 3 4 53.do 4.echo salve > junk/$i5.done6.ls -ld junk7.ls -l junk8.chmod -r junk9.ls -ld junk10.ls junk11.ls -l junk12.cd junk13.pwd14.ls -l15.echo *16.cd ..17.chmod +r junk18.chmod -x junk19.ls junk20.ls -l junk21.cd junk22.chmod +x junk

drwxr-xr-x 2 user1 512 Feb 20 16:24 junk-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 1-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 2-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 3-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 4-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 5d-wx--x--x 2 user1 512 Feb 20 16:24 junkjunk unreadablejunk unreadable/home2/user1/prova/junk. unreadable*12345ls: junk/1: Permission deniedls: junk/2: Permission deniedls: junk/3: Permission deniedls: junk/4: Permission deniedls: junk/5: Permission deniedtotal 0command: junk: Permission denied

drwxr-xr-x 2 user1 512 Feb 20 16:24 junk-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 1-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 2-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 3-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 4-rw-r--r-- 1 user1 6 Feb 20 16:24 5d-wx--x--x 2 user1 512 Feb 20 16:24 junkjunk unreadablejunk unreadable/home2/user1/prova/junk. unreadable*12345ls: junk/1: Permission deniedls: junk/2: Permission deniedls: junk/3: Permission deniedls: junk/4: Permission deniedls: junk/5: Permission deniedtotal 0command: junk: Permission denied


namei

• La procedura namei converte un pathname in un inode in modo da poter accedere ad un file.

• Analizza un componente del pathname alla volta, convertendolo nel relativo inode.

• Il puntatore all’inode della directory corrente di un processo è contenuta nella u-area.

• La directory corrente di ogni processo al momento della creazione coincide con quella del processo padre, ma la può cambiare usando la system call chdir.

• Tutte le ricerche di pathname partono dalla directory corrente del processo a meno che il pathname non inizi con “/” che indica un pathname assoluto.


namei

procedura namei /* converte pathname in inode */input: pathnameoutput: inode bloccato{if (pathname parte dalla radice) inode lavoro = indice radice (procedura iget);else inode lavoro = inode directory attuale (procedura iget);while (pathname non finito){ leggi successivo componente pathname dall'input; verifica che l'inode lavoro sia una directory, permessi di accesso OK; if (inode lavoro è radice e il componente è "..") continue; leggi directory (inode lavoro) usando le procedure bmap, bread, brelse; if (componente coincide con un'entry di directory (inode lavoro)) { prende numero inode componente coincidente; rilascia inode lavoro (procedura iput); inode lavoro = inode componente coincidente (procedura iget); } else /* componente non nella directory */ return (nessun inode); } return (inode lavoro);}

procedura namei /* converte pathname in inode */input: pathnameoutput: inode bloccato{if (pathname parte dalla radice) inode lavoro = indice radice (procedura iget);else inode lavoro = inode directory attuale (procedura iget);while (pathname non finito){ leggi successivo componente pathname dall'input; verifica che l'inode lavoro sia una directory, permessi di accesso OK; if (inode lavoro è radice e il componente è "..") continue; leggi directory (inode lavoro) usando le procedure bmap, bread, brelse; if (componente coincide con un'entry di directory (inode lavoro)) { prende numero inode componente coincidente; rilascia inode lavoro (procedura iput); inode lavoro = inode componente coincidente (procedura iget); } else /* componente non nella directory */ return (nessun inode); } return (inode lavoro);}


Scansione del pathname ../a/ba Inode

.. Inode

b Inode

. Inode

b

Current dir

Parent dir

a directory

Current directory

U-area

Inodes

Files


Superblocco

• dimensione del File System

• numero di blocchi liberi disponibili nel File System

• lista dei blocchi liberi disponibili nel File System

• indirizzo del successivo blocco libero nella lista dei blocchi liberi

• dimensione della lista di inode

• numero di inode liberi nel File System

• lista di inode liberi nel File System

• indirizzo del successivo inode libero nella lista degli inode liberi

• campi di lock per la lista di blocchi liberi e di inode liberi

• flag che indica se il super blocco è stato modificato


ialloc - ifree

• La procedura ialloc assegna un inode del disco ad un file che deve essere creato.

• Il File System mantiene una lista lineare di inode nella quale gli inode liberi presentano il campo tipo uguale a zero.

• Quando un processo richiede un nuovo inode, il kernel non effettua una ricerca lineare sulla lista perché risulterebbe troppo costosa, ma mantiene nel super blocco un array degli inode liberi presenti nel File System.

• La procedura ifree rilascia l’inode di un file che stato cancellato (mediante la system call unlink), e non è attualmente in uso.


Allocazione di blocchi di disco

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

109

109 106 103 100

211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . .112

Lista del superblocco

211

310 307 304 301 . . . . . . . . . . . . . .214

310

409 406 403 400 . . . . . . . . . . . . . .313


alloc

• La procedura alloc permette di allocare il primo blocco libero presente nella lista contenuta nel super blocco.

• Se il blocco è l’ultimo disponibile nella cache del super blocco, il kernel usa il numero ottenuto come puntatore ad un blocco contenente il prossimo elemento della lista linkata, che viene caricato integralmente nella cache.

• Il blocco che conteneva indirizzi di blocchi liberi del disco, ormai vuoto, viene usato come blocco di dati da allocare al processo che lo richiede.


Esempio di alloc e free

a, b - Configurazione iniziale e dopo il rilascio del blocco 949

109

109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


109211208205202

. . . . . . . . . . . . . .112

109

109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.


109211208205202

. . . . . . . . . . . . . .112

949

Lista del super blocco Lista del superblocco

109

109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

109211208205202

. . . . . . . . . . . . . .112

211

211208205202. . . . . . . . . . . . . .

112

109

344341338335. . . . . . . . . . . . . .

243

c, d - Assegnazione del blocco 949 ed assegnazione del blocco 109 con riempimento della free list del super blocco

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