Modulo 12: File System

1. Modulo 12: File System • Livelli logici per l’accesso ai file • Organizzazione dei file su disco • Organizzazione di un File System di UNIX Sistemi Operativi

2. Livelli logici per l’accesso ai file Sistemi Operativi

3. 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. Sistemi Operativi

4. Livelli di Indicizzazione Main File Indice 2 1 Overflow File Strutture di file • I file sequenziali indicizzatimemorizzano delle informazioni ulterioriper accelerare l’introduzione e la ricerca dei dati. • un file di indice con il quale gestire gli accessi casuali • un file di overflow per consentire gli inserimenti di nuovi elementi mantenendo l’ordinamento complessivo. Sistemi Operativi

5. 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. Sistemi Operativi

6. Directory Sistemi Operativi

7. Blocchi fisici nei buffer in Blocchi fisici in Record memoria principale memoria secondaria Struttura dei file Metodi di Scheduling Gestione delle directory accesso del disco Gestione dei blocchi Comandi utente Funzioni di Gestione dello manipolazione Operazioni, spazio libero dei file Allocazione dei Controllo degli file accessi degli utenti Funzioni del Sistema Operativo Funzioni del File management Funzioni di accesso ai file nomi dei file Sistemi Operativi

8. 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, …) Sistemi Operativi

9. Allocazione contigua • Vantaggio: velocità d’accesso • Svantaggi: frammentazione dello spazio disponibile Sistemi Operativi

10. directory File Blocco inizio Blocco di fine 0 1 10 2 3 prova 9 25 4 5 6 7 8 9 16 10 25 11 12 13 14 15 16 1 17 18 19 20 21 22 23 24 25 -1 26 27 28 29 30 31 Allocazione linkata Sistemi Operativi

11. elemento della directory FAT test 217 ...... 0 nome blocco iniziale 618 217 fine del file 339 339 618 Numero dei blocchi -1 Allocazione linkata - FAT 217 Sistemi Operativi

12. directory File Blocco indice 0 1 2 3 prova 19 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 9 16 1 16 17 18 19 19 10 25 20 21 22 23 -1 24 25 26 27 28 29 30 31 Allocazione indicizzata Sistemi Operativi

13. Blocco Super Lista degli Blocchi di di boot blocco inode dati Organizzazione di un File System di UNIX Sistemi Operativi

14. 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 Sistemi Operativi

15. 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 Sistemi Operativi

16. 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) Sistemi Operativi

17. Copia di un Inode in memoria • ll numero dell’inode • Lostato dell’inode che indica se • l’inode è occupato • la copia in memoria dell’inode è diversa da quella su disco a causa degliaggiornamenti 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 eliste come già visto per i buffer Sistemi Operativi

18. namei alloc free ialloc ifree iget iput bmap algoritmi di allocazione dei buffer getblk brelse bread breada bwrite Funzioni di gestione del File system Sistemi Operativi

19. iget • La funzioneiget 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. Sistemi Operativi

20. iget procedura iget input: numero di inode nel file system output: 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; }} Sistemi Operativi

21. I-node Blocchi di dati 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 indiretto singolo indiretto doppio indiretto triplo Struttura di un file normale Sistemi Operativi

22. 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 doppiamenteindiretti = 16 Gbyte Sistemi Operativi

23. iput • La procedura di rilascio di un inode iputviene invocata quando viene eseguita la closedi 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. Sistemi Operativi

24. iput procedura iput input:puntatore all’inode in memoria output: 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; } Sistemi Operativi

25. 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. Sistemi Operativi

26. bmap procedura bmap input: (1) inode (2) offset in byte output: (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; }} Sistemi Operativi

27. I-node 4096 228 45423 0 0 11111 0 101 367 blocco di 367 dati 331 0 428 3333 3333 blocco 9156 9156 indirezione di dati 824 doppia 331 indirezione singola Esempio di Inode Sistemi Operativi

28. 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. Sistemi Operativi

29. 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 5 d-wx--x--x 2 user1 512 Feb 20 16:24 junk junk unreadable junk unreadable /home2/user1/prova/junk . unreadable * 1 2 3 4 5 ls: junk/1: Permission denied ls: junk/2: Permission denied ls: junk/3: Permission denied ls: junk/4: Permission denied ls: junk/5: Permission denied total 0 command: junk: Permission denied • mkdir junk • for i in 1 2 3 4 5 • do • echo salve > junk/$i • done • ls -ld junk • ls -l junk • chmod -r junk • ls -ld junk • ls junk • ls -l junk • cd junk • pwd • ls -l • echo * • cd .. • chmod +r junk • chmod -x junk • ls junk • ls -l junk • cd junk • chmod +x junk Sistemi Operativi

30. 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 contenutanella 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 callchdir. • Tutte le ricerche di pathname partono dalla directory corrente del processo a meno che il pathname non inizi con “/” che indicaun pathname assoluto. Sistemi Operativi

31. namei procedura namei /* converte pathname in inode */ input: pathname output: 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); } Sistemi Operativi

32. U-area Current directory Inodes Files Scansione del pathname ../a/b Sistemi Operativi

33. 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 Sistemi Operativi

34. 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. Sistemi Operativi

35. Lista del superblocco 109 106 103 100 109 211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . . 112 211 310 307 304 301 . . . . . . . . . . . . . . 214 310 409 406 403 400 . . . . . . . . . . . . . . 313 Allocazione di blocchi di disco . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemi Operativi

36. 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. Sistemi Operativi

37. Lista del superblocco Lista del superblocco Lista del superblocco Lista del superblocco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 949 109 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . . 112 109 109 109 109 211 109 211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . . 112 211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . . 112 109 109 211 208 205 202 . . . . . . . . . . . . . . 112 344 341 338 335 . . . . . . . . . . . . . . 243 Esempio di alloc e free a, b - Configurazione iniziale e dopo il rilascio del blocco 949 c, d - Assegnazione del blocco 949 ed assegnazione del blocco 109 con riempimento della free list del super blocco Sistemi Operativi