Aula 05 Infraestrutura de Sistemas Computacionais - Arquivos e Acesso

INFRAESTRUTURA DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS Sérgio Johann Filho Aula 05 2 MAPA DA AULA Neste material você tem uma linha do tempo com os principais acontecimentos das videoaulas organizados nas seguintes seções Momentos importantes da disciplina Conceitos e termos relevantes para o conteúdo da aula Para lembrar Dinâmicas exercícios interativos e infográficos Para exercitar Para ir além Curiosidades personalidades e entretenimento Esta é uma versão simplificada do Mapa da Aula para impressão Os recursos interativos disponíveis no material não funcionarão nesta versão Para uma experiência mais enriquecedora acesse a versão completa do Mapa da Aula na aba AULAS 3 AULA 5 PARTE 1 Conceitualmente um arquivo é um espaço de endereço lógico contíguo que pode ser manipulado armazenado ou preservado a fim de garantir a persistência de dados e instruções Assim é possível manter o conteúdo preservado através do salvamento da informação ou em armazenamento secundário explica o professor Sérgio Johann Filho O que é um arquivo Para o usuário o arquivo é um espaço de endereçamento lógico contíguo Algumas operações não podem ser executadas sobre alguns tipos de arquivos O nome de um arquivo é a única informação mantida de forma legível para o usuário mas o arquivo possui outros atributos importantes como identificador tipo localização tamanho proteção hora data e identificação do usuário As operações que podem ser realizadas sobre um arquivo são diversas A pessoa usuária por exemplo pode abrir fechar criar escrever reposicionar truncar e excluir um arquivo conforme o seu interesse ou a sua necessidade No entanto alguns arquivos especiais como dispositivos e diretórios não podem ser excluídos ou reposicionados em determinados contextos Em função de como o arquivo está organizado o sistema de arquivos pode recuperar registros de diferentes maneiras Acesso sequencial os dados são sempre lidos e ou escritos em sequência do início ao final do arquivo sendo um acesso utilizado em casos de armazenado de informações geradas através de um fluxo Acesso direto podese indicar a posição no arquivo onde cada leitura ou escrita deve ocorrer É um processo utilizado em casos de manipulação de dados Métodos de acesso Se você tem uma fonte de fluxo de dados o acesso sequencial é uma maneira interessante de se implementar o seu acesso 0636 2615 4 Um processo pode manter arquivos abertos para realização de operações A abertura de um arquivo consiste basicamente em preparar as estruturas de memória necessárias para acessar os dados do arquivo Arquivos abertos Media o acesso a um arquivo e evita que seja corrompido em função da execução concorrente de múltiplos processos Travamento Uma vez aberto um arquivo esse descritor será mantido no contexto de um processo e necessitará ser fechado após a liberação Um diretório é uma subdivisão lógica de um sistema de arquivos que permite o agrupamento de arquivos que se relacionam de alguma forma sendo uma coleção de registros que contém informações sobre todos os arquivos A função principal de um diretório portanto é organizar os arquivos de forma que seu conteúdo possa ser relacionado estruturalmente pela pessoa usuária Diretório O diretório apesar de ter um nome diferente também é um arquivo 2823 5 AULA 5 PARTE 2 Informações de metadados associadas a diretórios são mantidas em um disco assim como os arquivos Um disco pode ser dividido em partições porções que determinam um volume lógico e que podem ser montadas individualmente Discos ou partições podem ser protegidas por sistemas contra falhas como RAID que também podem ser utilizados para melhorar o desempenho de acesso aos arquivos Estrutura de discos Temos diferentes maneiras de implementar a organização de diretórios mas os objetivos dessas diferentes implementações são o mesmo Organização de diretórios Todos os arquivos estão contidos no mesmo diretório Usuários não podem ter arquivos com o mesmo nome Não é recomendado para sistemas com mais de um usuário Diretório em um nível Ocorre uma separação de diretórios para cada pessoa usuária Permite usuários com nomes de arquivo iguais A sua desvantagem é quando usuários cooperam em alguma tarefa e precisam de arquivos compartilhados Diretório em dois níveis Os usuários podem criar seus próprios subdiretórios para organizar seus arquivos Pode possuir um caminho absoluto quando se referencia um arquivo a partir da raiz da árvore ou um caminho relativo quando se referencia um arquivo a partir do diretório corrente Dentre as vantagens está a procura eficiente por arquivos e a possibilidade de agrupamento de arquivos Diretório com estrutura de árvore 0806 0140 6 Para que a gente consiga usar o sistema de arquivos é necessário que antes seja realizado o processo de montagem Um sistema de arquivos não montado pode ser montado em um ponto de montagem que será um caminho absoluto dentro do sistema de arquivos explica o professor Sérgio Johann Filho Montagem de sistemas de arquivos Tecnologia usada para aumentar o desempenho e a confiabilidade do armazenamento de dados RAID A entidade que contém um sistema de arquivos é conhecido como volume Cada volume contém um sistema de arquivos e mantém as informações deste em diretório do dispositivo ou índice do volume Se nós estivermos removendo um subdiretório não necessariamente nós estaremos removendo apenas o conteúdo desse subdiretório com relação a seus arquivos mas potencialmente removendo subdiretórios em cascata Sempre que nós tivermos múltiplos usuários acessando e utilizando em paralelo esse sistema é importante que nós tenhamos um mecanismo que permita compartilhar arquivos O compartilhamento de arquivos tende a ser uma função bastante útil em sistemas com usuários múltiplos O compartilhamento deve ocorrer a partir de um mecanismo de proteção permitindo assim que diferentes usuários possuam privilégios diferentes possibilitando que determinadas operações específicas sejam restritas a um grupo de usuários selecionados Compartilhamento de arquivos 2909 3002 7 Essa estrutura elimina um dos maiores problemas da estrutura de grafos acíclicos que é exatamente não permitir ciclos tornando algoritmos de busca mais complexos No entanto um algoritmo mal implementado pode manter um sistema buscando um arquivo infinitamente Diretórios com estrutura de grafo geral Sistema de arquivos criado com o objetivo de compartilhar arquivos e diretórios entre computadores de rede Network File System NFS Permite referências diversas a um mesmo arquivo de modo que o mesmo arquivo ou subdiretório poderá estar em dois diretórios diferentes É possível nomear um mesmo arquivo com nomes diferentes Diretórios com estrutura de grafo acíclico Uma maneira bem simples de garantir que uma cópia de um arquivo ou de um subdiretório não seja extraviado quando existem múltiplas referências é manter associado a cada arquivo um contador de referências 8 A estrutura de um arquivo é uma unidade lógica de armazenamento que mantém uma coleção de informações que estão relacionadas Do ponto de vista de implementação o sistema de arquivos é definido por um conjunto de estruturas de dados que são armazenados em disco e o objetivo dessas estruturas é permitir a fácil recuperação do sistema de arquivos bem como a sua fácil montagem pelo usuário Implementação de sistemas de arquivos O sistema operacional só consegue se comunicar com o armazenamento secundário através de um driver de dispositivo Dentre as estruturas de dados necessárias para a implementação de um sistema de arquivos estão Boot Control Block Volume Control Block e File Control Block Estrutura que contém informações necessárias pelo sistema para iniciar o sistema operacional naquele volume Boot Control Block Estrutura que auxilia no gerenciamento do conjunto de blocos que implementa o volume em si Volume Control Block Estrutura que contém vários detalhes sobre os arquivos como nome e atributos File Control Block Um sistema de arquivos virtual ou Virtual System File VFS em inglês fornece uma forma orientada a objetos de implementar sistemas de arquivos e permite que a mesma interface de chamada de sistemas seja utilizada para diferentes tipos de sistemas de arquivos Sistema de arquivos virtual A camada de mais alto nível dentro de um sistema de arquivos é conhecida como sistema de arquivos virtual ou VFS Os diretórios são armazenados em blocos de discos que contém as chamadas entradas de diretórios que correspondem a uma lista linear de nomes de arquivos com referências a blocos de dados Cada entrada de diretório aponta para blocos que manterão o conteúdo daquele arquivo ao passo em que cada arquivo é identificado por uma entrada de diretório Implementação de diretórios Lista linear com estrutura de dados indexadas que acelera o processo de busca no diretório Tabela Hash AULA 5 PARTE 3 0053 1215 1424 9 Sérgio Johann Filho apresenta diferentes estratégias para realizar a alocação de blocos que estão associados a um mesmo arquivo Métodos de alocação A maneira mais flexível então de alocação é a chamada alocação indexada Essa locação encadeada é flexível pois permite que os blocos estejam alocados aleatoriamente no disco e eles podem ser espalhados em qualquer posição Consiste em armazenar os dados do arquivo de forma sequencial sobre um conjunto de blocos consecutivos no disco de modo que a localização do conteúdo do arquivo no disco corresponda ao endereço de seu primeiro bloco É um formato de alocação limitado porém com simples processo de implementação Alocação contígua Utiliza uma tabela de alocação única mantida no início do disco para os blocos de cada arquivo A tabela representa uma lista encadeada de blocos e uma das suas vantagens é a diminuição na probabilidade de erros Alocação encadeada com tabela FAT Cada bloco do arquivo no disco contém dados do arquivo e também um ponteiro para o próximo bloco ou seja no final de cada bloco nós temos uma referência ao bloco seguinte Desta forma é construída uma lista encadeada de blocos para cada arquivo não sendo mais necessário manter os blocos do arquivo lado a lado no disco A principal desvantagens desse modelo de alocação é a sua limitação na busca aleatória pelo conteúdo dos arquivos Alocação encadeada Tabela Hash Assinale a definição correta para o conceito abaixo 1613 Tabela Hash Sistema de arquivos criado com o objetivo de compartilhar arquivos e diretórios entre computadores de rede Estrutura de dados utilizada para tornar o processo de busca mais eficiente Tecnologia usada para aumentar o desempenho e a confiabilidade do armazenamento de dados 10 A alocação indexada mantém os ponteiros de todos os blocos do arquivo em uma única estrutura denominada bloco de índice Um de seus benefícios é a possibilidade da realização de um acesso randômico a blocos independentes de sua posição relativa no arquivo Alocação indexada A alocação indexada tem uma grande vantagem que é permitir o acesso dinâmico sem que haja ocorrência de fragmentação externa Quanto maiores forem os arquivos maior será a complexidade do sistema de referência ao encadeamento pois será necessário percorrer estruturas indiretas A eficiência no acesso ao sistema de arquivos depende da alocação do disco e dos algoritmos que implementam a estrutura de diretórios e a criação de arquivos bem como dos tipos de dados mantidos na entrada do arquivo no diretório Já o desempenho está associado ao cache de disco cache de páginas liberação antecipada leitura antecipada e a dedicação de partes da memória como discos virtuais Eficiência e desempenho Cache de páginas tem como objetivo armazenar páginas ao invés de blocos de disco usando técnicas de memória virtual É importante que exista uma relação de consistência entre os blocos que estão fisicamente sendo mapeados para arquivos no disco e também que essa informação seja representada pelas informações das entradas de diretório Para a consistência entre alocação e liberação de espaço é importante mantermos alguma informação referente ao espaço livre que pode ocorrer a partir da implementação de um vetor de bits ou uma lista encadeada Gerenciamento de espaço livre Estrutura de dados onde um bit representa se o bloco está ou não ocupado Uma grande vantagem desse sistema é a rápida identificação de blocos livres no disco e facilidade para manter arquivos contíguos no entanto é impraticável para discos com grande capacidade de armazenamento Vetor de bits Consiste em ligar todos os blocos livres do disco mantendose uma referência para o primeiro bloco livre O primeiro bloco livre possui uma referência para o próximo e assim sucessivamente Lista encadeada AULA 5 PARTE 4 1321 0831 0057 11 Usar programas de sistemas para criar cópias de segurança do disco para outros dispositivos de armazenamento é uma das formas mais seguras de recuperação de arquivos bem como a realização do Teste de Consistência método que compara dados nas estruturas de diretórios com blocos de dados no disco e busca consertar as inconsistências Os sistemas de arquivos baseados em registros de operações também se apresentam como outro modo de armazenar e recuperar informações com segurança pois registram cada atualização no sistema de arquivos como uma transação e as transações do registro de operações são gravadas de forma assíncrona no sistema de arquivos Recuperação O teste de consistência geralmente é utilizado quando você tem uma operação inválida de desmontagem Estações de trabalho interconectadas são vistas como um conjunto de máquinas independentes com sistemas de arquivos independentes e a utilização de um Network File System NFS permite compartilhamento entre esses sistemas de arquivos de forma transparente NFS é projetado para operar em ambientes heterogêneos de diferentes máquinas sistemas operacionais e arquiteturas de rede possibilitando que máquinas com arquiteturas totalmente diferentes possam compartilhar arquivos sem que haja a necessidade de conversão de dados entre si NFS 2437 1925 12 Normalmente dispositivos de entrada e saída estão integrados no sistema computacional através de controladores de dispositivos que mapeiam operações para que o sistema operacional consiga enviar comandos a esses dispositivos Sérgio Johann Filho destaca que existem três formas principais de enviar comandos de entrada e saída a dispositivos sendo elas polling interrupções e DMA Hardware de Entrada e Saída O processador determina o estado de dispositivos e se estiver pronto envia um comando para o hardware externo e se dedica a esta ação Polling O dispositivo quando está pronto para transferência de dados gera uma interrupção tendo o processador como alvo O processador conclui a execução da instrução em andamento e salva seu estado atual Interrupções Este método possibilita que um dispositivo de entrada e saída envie ou receba dados diretamente da memória principal ignorando a CPU acelerando as operações que envolvem a memória DMA O que limita a implementação do modelo de polling para transferência de informação entre a CPU e o dispositivo periférico é que o programador é responsável por realizar o polling O sistema computacional possui implementado um conjunto de chamadas de sistemas que abstrai detalhes sobre a forma como a transferência de dados ocorre de modo que uma camada de driver do dispositivo esconde diferenças entre controladoras de entrada e saída Os dispositivos a serem integrados no sistema variam em diversas dimensões como fluxo de caracteres ou bloco acesso sequencial ou aleatório compartilhável ou dedicado velocidade de operação leitura e escrita somente leitura ou somente escrita Interface de Entrada e Saída AULA 5 PARTE 5 0125 1720 PUCRS online