Sistemas de Arquivos Modernos

Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição
1
Sistemas Operacionais
Prof.: Rodrigo Ronner
rodrigoronner@gmail.com

2
Sistemas de Arquivos
Capítulo 6
1. Arquivos
2. Diretórios
3. Alocação
4. Gereciamento de Espaço Livre
5. Exemplos de sistemas de arquivos

Arquivos
3

Sistemas de Arquivos
Conceito de arquivo
Arquivo – coleção nomeada e abstrata de informações que são
armazenadas em dispositivos de memória secundária.
• Os arquivos são mapeados em dispositivos físicos.
• Forma de armazenamento persistente.
• Do ponto de vista do usuário, é a menor unidade alocável de armazenamento.
• Os arquivos podem representar programas e dados.
• Seu conteúdo pode ser variável e seguindo diferentes padrões aplicados à propósitos específicos. Desde um texto
puro, até uma imagem binária.
• Os arquivos são classificados de acordo com se conteúdo.
– Arquivos texto: sequência de caracteres em linha
– Arquivos fonte: sequência de rotinas e funções
– Arquivos objeto: sequência de informações organizadas em blocos lidos por link editores.
– Arquivos executáveis: Seções de código que o carregador pode levar à memória para
execução.

5
Armazenamento da Informação
a Longo Prazo
1. Deve ser possível armazenar uma
quantidade muito grande de informação
2. A informação deve sobreviver ao término do
processo que a usa
3. Múltiplos processos devem ser capazes de
acessar a informação concorrentemente

Metadados (dados sobre dados)
•Metadados são informações especiais sobre os arquivos
–Armazenadas em arquivos e diretórios especiais
–Não podem ser modificadas diretamente pelos usuários
•SO mantém no disco: superbloco com metadados (tabela)
–Localizado no disco (armazenamento auxiliar)
–Ajuda a proteger a integridade do sistema de arquivos
–Possui cópias redundantes em outras partes do disco
–Informações mais importantes do superbloco são:
• Tipo de sistema de arquivos e seu número de blocos
• Localização dos blocos livres da partição e do diretório raiz
• Data e hora da última modificação
• Informações sobre integridade
•SO mantém na RAM: tabela para tratar cada arquivo aberto
–Contém detalhes dos atributos do arquivo
•SO: recebe da aplicação o descritor do arquivo (um índice)
–Número que aponta para a tabela do arquivo aberto
6

Nomeação de Arquivos
• Arquivo é um mecanismo de abstração. Ele
oferece meios de armazenar informações no
disco e de lê-las depois. Isso deve ser feito
de um modo que isole o usuário dos
detalhes sobre como e onde a informação
está armazenada e como os discos na
verdade funcionam.
7

Alguns Sistemas de arquivos distinguem letras maiúsculas de
minúsculas e outros não. O Unix pertence à primeira categoria;
Windows pertence a segunda. Portanto um sistema UNIX pode ter
três arquivos distintos chamado:
• maria
• Maria
• MARIA
No Windows , todos esses nomes referem-se ao mesmo arquivo.
8

Muitos sistemas Operacionais permitem nomes de arquivos com
duas partes separadas por um ponto. Como em “prog.c” A parte que
segue o ponto é chamada extensão.
No UNIX, o tamanho da extensão, se houver fica a critério do
usuário, e um arquivo pode ter até mesmo duas ou mais extensões,
como em homepage.html.zip, em .html indica uma página da web
em HTML e .zip indica que o arquivo (homepage.html.zip foi
comprimido usando o programa zip.
9

10
Extensões típicas de arquivos

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Estrutura de Arquivos
• Três tipos de arquivos
a) seqüência de bytes
b) seqüência de registros
c) árvore

Tipos de Arquivos
• Embora tecnicamente o arquivo seja uma
sequência de bytes, o SO somente executará
um arquivo se ele tiver um formato
apropriado. O arquivo possui cinco partes:
cabeçalho, texto, dados bits de relocação e
tabela de símbolos
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Tipos de Arquivos
(a) Um arquivo executável (b) Um repositório (archive)

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Acesso aos Arquivos
• Acesso sequencial
– lê todos os bytes/registros desde o início
– não pode saltar ou ler fora de seqüência
– conveniente quando o meio era a fita magnética
• Acesso aleatório
– bytes/registros lidos em qualquer ordem
– essencial para sistemas de bases de dados
– ler pode ser …
• mover marcador de arquivo (seek), e então ler ou …
• ler e então mover marcador de arquivo

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Atributos de Arquivos
Possíveis atributos de arquivos

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Operações com Arquivos
1. Create
2. Delete
3. Open
4. Close
5. Read
6. Write
7. Append
8. Seek
9. Get attributes
10.Set Attributes
11.Rename

• Os SOs realizam diferentes operações. As
mais comuns são:
– Create, cria o arquivo sem dados.
• Usado para anunciar que o arquivo existe e
definir alguns atributos.
– Delete, remove o arquivo.
– Open, realizado antes de usar um arquivo.
• O SO busca o arquivo e põe na memória
principal os atributos e lista de endereços do
disco.
• Alguns SOs limitam o número de arquivos
abertos.

– Close, realizado quando o processo termina de
usar o arquivo.
• Força a escrita do último bloco do arquivo.
– Read, lê os dados do arquivo na posição atual.
• Deve ser definida quantidade de dados
necessários para fornecer um buffer.
– Write, escreve os dados na posição atual.
• Se a posição atual estiver no final do arquivo,
este sofrerá um aumento no tamanho.
• Se a posição estiver no meio do arquivo, os
dados posteriores serão sobrescritos.

– Append, chamada restrita de Write.
• Só permite escrita no final do arquivo, não
permite sobrescrevê-lo.
– Seek, busca uma posição no arquivo.
• Modifica o ponteiro que aponta para uma
posição dentro do arquivo.
– Get Attributes, lê os atributos do arquivo.
• O make do Unix verifica os momentos de
alteração dos arquivos fonte e arquivos objeto
usando esta operação.

– Set Attributes, define atributos do arquivo.
• Alguns atributos podem ser alterados pelo
usuário.
– Rename, modifica o nome do arquivo.

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Arquivos Mapeados em Memória
(a) Um processo segmentado antes de
mapear arquivos em seu espaço de
endereçamento
(b) Processo depois do mapeamento
arquivo abc existente em um segmento
criando novo segmento para xyz

Diretórios
22

Sistemas de Diretórios
• Controla o armazenamento/localização dos
arquivos.
• Pode ser um arquivo também, dependendo
do SO.
• Pode ser implementado de diversas formas.

Nível Único
• Mais simples implementação de um sistema
de diretórios.
• Um único diretório possui todos os arquivos.
– Chamado de diretório-raiz.
• Usado nos primeiros PCs.
– Por possuir apenas um usuário.

Nível Único
A,B e C são os proprietários dos arquivos.

Nível Único
• Vantagens:
– Fácil de implementar.
– Fácil localização de arquivos.
• Desvantagem:
– Sistemas com vários usuários podem criar
arquivos com mesmo nome.
• O arquivo será perdido e sobrescrito com o
novo.

Nível Único
• Não é mais utilizado em PCs por razões
óbvias.
• Pode ser utilizado em sistemas embarcados.
– Devido limitações de usabilidade e hardware.
– Sistemas que existe apenas um único usuário.

Dois Níveis
• Resolve conflitos de usuários.
– Um diretório oferecido para cada usuário.
• Está implicito que o SO identifica o usuário e
já sabe qual é o seu diretório.
• O usuário só tem acesso ao seu diretório.
– Na sua forma mais básica de implementação.
– Pode ser extendido e permitir acesso a
arquivos de outros usuários.

Dois Níveis

Dois Níveis
• Acesso ao diretório de outros usuários permite separar
um diretório para programas do sistema.
– Sem isto, haveria uma cópia dos programas do sistema no
diretório de cada usuário.
• Tem problemas quando o usuário possui muitos
arquivos.
– Um usuário pode querer arquivos com mesmo
nome.
– Uma organização melhor é necessária para
identificar os arquivos.

Diretórios Hierárquicos
• Os arquivos são organizados de acordo com
o usuário.
– É criada uma hierarquia de diretórios.
• É utilizado até hoje.

Diretórios Hierárquicos

Nomes de Caminhos
• Em um sistema de arquivos organizado como
árvore, é necessário um método de
especificar um arquivo.
• São utilizados dois métodos:
– Nome de caminho absoluto.
– Nome de caminho relativo.

Nome de Caminho Absoluto
• Quando o primeiro caractere é um separador,
então o caminho absoluto está sendo usado.
– O caractere separador é específico de cada
SO.
• Windows:
• Linux: /

Nome de Caminho Relativo
• Usado em conjunto com o conceito de
diretório de trabalho.
– Também chamado de diretório atual.
• Todos os caminhos que não começam na
raiz, são assumidos como relativos ao
diretório atual.

36
Uma árvore de diretórios UNIX
Nomes de Caminhos

Nome de Caminho Absoluto
• Representa o caminho da raiz à folha
(arquivo) da árvore.
• Exemplo: /var/www/index.html
– Existe um diretório chamado var
– /var possui um subdiretório chamado www
– O subdiretório www possui um arquivo
chamado index.html

Nome de Caminho Relativo
• Se o diretório atual for /var/www, o arquivo
index.html pode ser acessado diretamente,
sem o uso do caminho absoluto.
• Cada processo possui um diretório de
trabalho.
– Um arquivo pode ser acessado usando o
caminho relativo.
– Permite que um diretório de trabalho seja
modificado sem afetar os outros processos.

Nomes de Caminho
• A maioria dos SOs que suportam sistema de
diretório hierárquico, possuem duas entradas
especiais:
– . (ponto)
• Refere-se ao diretório atual.
– .. (ponto-ponto)
• Refere-se ao diretório pai.

40
Operações com Diretórios
1. Create
2. Delete
3. Opendir
4. Closedir
5. Readdir
6. Rename
7. Link
8. Unlink

• As operações variam para cada SO. As mais comuns
são:
– Create, cria um diretório vazio.
• Exceto pelo ponto e ponto-ponto.
• Geralmente inseridos pelo programa mkdir.
– Delete, remove um diretório.
• O diretório deve estar vazio para ser removido.
• Ponto e ponto-ponto não são contados neste caso.
– Opendir, abre o diretório.
• Antes de ser lido, o diretório deve ser aberto.
• Após a abertura, está pronto para listar os arquivos.

– Closedir, fecha o diretório.
• Deve ser fechado para liberação de espaço na
tabela interna.
– Readdir, retorna a próxima entrada do diretório
aberto.
• Antes era feito usando a chamada de sistema
read, porém o programador precisaria
conhecer a estrutura interna usada pelo
sistema de diretórios.
• Permite ler o diretório de forma padronizada.

– Rename, modifica o nome do diretório.
– Link, técnica chamada de ligação (link).
• Permite que um arquivo apareça em mais de
um diretório, ao mesmo tempo.
• A chamada tem como entrada um diretório e
um arquivo existente.
• Incrementa o contador do i-node do arquivo.

– Unlink, remove uma entrada do diretório.
• Se o arquivo existe somente neste diretório,
o arquivo é fisicamente removido.
• Caso exista em outros diretórios, somente o
caminho especificado é removido.
• O delete na verdade é um unlink.

Alocação de arquivos
45

Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 46
Alocação de arquivos
(organização do espaço ocupado)
•Alocação de arquivos em disco:
–Semelhante à alocação na RAM
–Organização dos arquivos contribuem para otimizar acessos
–Localidade (temporal e espacial) continuam valendo
•Modos de alocação mais utilizados são:
–Alocação contígua (AC)
–Alocação não contígua (ANC)
• Lista Encadeada
• Tabela na Memória (tabular)
• Indexada (i-nodes)
•Arquivos aumentam e diminuem de tamanho, por isso:
–AC foi substituída pela ANC
–Mais dinâmica e flexível

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Alocação contígua

48
Alocação contígua
•Mantém dados de arquivos em seções adjacentes no disco
•Localização pelo endereço de início e tamanho do arquivo
•Vantagem:
– Registros sucessivamente dispostos, lógica e fisicamente
•Desvantagem:
– Fragmentação externa devido aos arquivos apagados
– Possível falta de espaço ao criar ou expandir um arquivo
•Uso:
– CD/DVD (permite organização antecipada dos dados)
– Nada impede que seja usada em HDs

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ANC por Lista Encadeada

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•Blocos do arquivo ficam aleatoriamente dispostos no disco
•Cada setor armazena um ponteiro para o próximo
– No último setor, o ponteiro é nulo
•Mais fácil achar espaço livre para a gravação de dados
•A busca é sequencial (em uma direção)
– Fragmentação torna as buscas mais lentas
– Usar blocos de setores contíguos aumenta a eficiência
– Busca nas duas direções: lista duplamente encadeada
•Blocos grandes:
– Maior fragmentação interna
– Menos operações com E/S
•Desvantagem:
– Desperdício da área de armazenamento com os ponteiros

51
usando Tabela na Memória
16

52
usando Tabela na Memória
•Blocos do arquivo ficam aleatoriamente dispostos no
disco
•Mantém uma Tabela de Alocação de Blocos (TAB)
– Tabela adicional mantida em disco contiguamente
– Usada em cache na RAM para acelerar acessos
– Um bloco aponta para o próximo bloco, até o último
– Facilita aumentar ou reduzir o tamanho de um arquivo
– Localiza rapidamente blocos livres contíguos (< fragmentação)
– Diminui acessos ao disco para pesquisa
•Busca é sequencial com base na TAB
•Sistema FAT (do DOS) usava essa forma de alocação

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ANC Indexada (i-Node)

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ANC Indexada (i-Node)
•Blocos do arquivo ficam aleatoriamente dispostos no disco
•i-Node (index node): estrutura de controle de cada arquivo
•Contém um ou mais blocos de índices que apontam para:
– Blocos físicos de dados do arquivo ou
– Outros blocos de índices (que apontam para dados ou índices)
Blocos de índices:
– São percorridos de modo sequencial nas buscas
• Bom desempenho de E/S
• Pouca sobrecarga no SO
– Podem estar na RAM para acelerar a pesquisa dos índices
– Permitem acomodar arquivos de tamanhos variados
– Podem ter até 3 níveis hierárquicos (arquivos grandes)
– Quanto mais níveis, mais acessos ao disco
•Ext2 e NTFS implementam variações dessa forma

Gerenciamento de espaço livre
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Gerenciamento de espaço livre
• Há, basicamente, 2 modos de controlar os espaços livres
–Lista de livres
–Mapa de bits
• Lista de livres: lista encadeada aponta para blocos livres
–Busca por bloco livre varre a lista e suprime a entrada
–Blocos a ocupar são retirados do início da lista e
–Blocos liberados são anexados ao final da lista
• Mapa de bits: mapa associa um bit a um bloco diretamente
–“0” indica bloco livre; “1” indica bloco ocupado
–É mantida em blocos especiais
–Busca por bloco livre varre rapidamente o mapa (bit :0→1)
• Vantagens do mapa de bits sobre a lista de livres:
–Facilidade para achar blocos livres contíguos e
–Menor sobrecarga
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Mapa de Bits
• Um mapa de bits é utilizado para representar os
blocos livres.
• Utiliza apenas um bit para representar um bloco
livre.
− 1: Livre
− 0: Alocado
• Também utiliza blocos do disco para armazenar o
mapa.

Mapa de Bits
• Só usa o disco quando o mapa está cheio.
• O mapa mantém os arquivos próximos.
• Pois estão no mesmo mapa.

Mapa de Bits
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0
1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Endereço: 0x10cc00290
0
16
32
48
64
• Representação de um mapa de bits.

Controle de acesso aos dados
(em disco)
• Pode ser feito de 3 modos
–Matriz de controle de acesso
–Controle de acesso discricionário
–Compartilhamento
• Matriz de controle de acesso (na prática, não é mais usada):
–Organiza usuários na coluna e arquivos na linha
–Interseção usuário x arquivo: bit=1 marca permissão de acesso
–Difícil gerir com muitos usuários, arquivos e modos de acesso
• Controle discricionário:
–Metadado de cada objeto (um diretório ou um arquivo)
–Especifica quem pode acessar e o tipo de acesso
–Deve ser configurada para cada objeto
• Compartilhamento: permite o acesso através da rede
–Mais prático e seguro trabalhar com grupos em vez de usuários
–Grupo: coleção nomeada de usuários com mesmo perfil
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Configurando Permissões
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Proteção e integridade
• SO tem ferramentas para proteger os arquivos contra:
–Acessos indevidos e
–Violações de integridade (intencionais ou não)
• Controle de acesso pode ser feito com:
–Autenticação e permissões (ACL: quem pode fazer o quê)
–Criptografia de arquivos
• Integridade pode ser protegida com:
–Discos em RAID
–Cópias de backup
–Sistemas de arquivos log-estruturados (operações atômicas)
• Registram as transações em arquivos de log (histórico)
• Pode reverter (roll back) ou terminar mais tarde (roll forward):
–Sombreamento de páginas (operações atômicas)
• Grava as transações em um novo bloco
• Validada a transação: descarta bloco antigo e habilita o novo
• Pode reverter se houver alguma falha
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Exemplos de sistemas de
arquivos
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Exemplos de sistemas de arquivos
EXT3
• O sistema de arquivos EXT3 é uma versão do EXT2;
• O ext3 tem as mesmas características do EXT2, mas com suporte journaling;
• A evolução tornou o EXT3 um sistema de arquivos muito estável e robusto;
• Podemos converter um sistema de arquivos EXT2 para EXT3, adicionado
suporte a journaling, e também podemos converter um sistema de arquivos
EXT3 para EXT2, removendo o suporte a journaling.
OBS: Hoje em dia já está existe o EXT4, sistema de arquivos veloz que está em
seu estágio inicial de desenvolvimento. Ainda faz sentido permanecer um pouco
mais com o EXT3.
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ReiserFS
• O sistema de arquivos ReiserFS foi criado recentemente;
• Atualmente quase todas as distribuições Linux o suportam;
• Sua performance é muito boa, principalmente para um número muito grande de arquivos
pequenos;
• ReiserFS também possui suporte a journaling.
LVM
• LVM é um acrônimo para a expressão inglesa Logical Volume Management para especificar um
padrão de gerenciamento de partições em disco IDE/SCSI/FC;
• Foi desenvolvido inicialmente pela IBM, e outras empresa e instituições, como: HP e a Open
Group;
• A implementação LVM cria um grande disco virtual, que pode inclusive ter mais de um
dispositivo de armazenamento , e divide em partições virtuais;
• A vantagem é permitir o redimensionamento das áreas de modo dinâmico, ou seja, com o sistema
operacional sendo utilizado;
• A desvantagem é que por ser um único disco virtual, a recuperação de dados em uma eventual
pane no sistema de armazenamento é bastante prejudicada.
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VISÃO GERAL DA FAT
A FAT está longe de ser o mais simples dos sistemas de arquivos suportados pelo Windows NT. O
sistema de arquivos FAT é caracterizado pela tabela de alocação de arquivos (FAT) que, na verdade, é
uma tabela que reside na parte "mais alta" do volume. Duas cópias da FAT são mantidas para proteger
o volume, caso uma delas seja danificada. Além disso, as tabelas da FAT e o diretório raiz devem ser
armazenados em um local fixo para que os arquivos de inicialização do sistema possam ser
corretamente localizados.
Um disco formatado com a FAT é alocado em clusters, cujo tamanho é determinado pelo tamanho do
volume. Quando um arquivo é criado, uma entrada é gerada no diretório e o primeiro número de
cluster contendo dados é estabelecido. Essa entrada na tabela da FAT indica que esse é o último
cluster do arquivo ou aponta para o próximo cluster.
A atualização da tabela da FAT é muito importante, assim como o tempo gasto. Se a tabela da FAT
não for atualizada regularmente, ela poderá conduzir à perda de dados. Isso leva tempo, pois os
cabeçotes de leitura do disco devem ser reposicionados para a trilha lógica zero da unidade toda vez
que a tabela da FAT for atualizada.
Não há uma organização para a estrutura de diretório da FAT e os arquivos aparecem no primeiro
local aberto na unidade. Além disso, a FAT suporta apenas atributos de arquivo morto, somente
leitura, oculto e de sistema.. 66

Principais características do NTFS
Os conceitos aplicados ao NTFS fizeram com que o Windows NT e versões posteriores do sistema
fossem bem recebidos pelo mercado. Uma dessas características diz respeito ao quesito
"recuperação": em caso de falhas, como o desligamento repentino do computador, o NTFS é capaz de
reverter os dados à condição anterior ao incidente. Isso é possível, em parte, porque, durante o
processo de boot, o sistema operacional consulta um arquivo de log que registra todas as operações
efetuadas e entra em ação ao identificar nele os pontos problemáticos. Ainda neste aspecto, o NTFS
também suporta redundância de dados, isto é, replicação, como o que é feito por sistemas RAID, por
exemplo.
Outra característica marcante do NTFS é o seu esquema de permissões de acesso. O Unix sempre foi
considerado um sistema operacional seguro por trabalhar com o princípio de que todos os arquivos
precisam ter variados níveis de permissões de uso para os usuários. O NTFS também é capaz de
permitir que o usuário defina quem pode e como acessar pastas ou arquivos.
O NTFS também é bastante eficiente no trabalho com arquivos grandes e unidades de discos
volumosos, especialmente quando comparado ao sistema de arquivos FAT. Você vai entender o
porquê no tópico a seguir.
67

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