File Management. Peter Puschner Institut für Technische Informatik

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1 File Management Peter Puschner Institut für Technische Informatik

2 Motivation Prozess kann nur eine eingeschränkte Informationsmenge in seinem Adressraum halten Adressraum des Prozesses ist nur während der Lebensdauer des Prozesses verfügbar... Notwendigkeit, dass Daten von mehreren Prozessen verwendet werden können... ð Files/Filesystem auf Plattenspeicher, etc. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 2

3 File Management File: zentrales Element in vielen Prozessen File speichert große Informationsmengen Persistenz: Informationslebendauer in Files wird nicht durch Prozessstart/termination beeinflusst Zugriff durch mehrere Prozesse File System verwaltet Files: Namensgebung (Naming), Struktur, Lokalisierung und Zugriff, Schutz (Protection) Benutzersicht versus Designer-Sicht R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 3

4 Elemente des File Management Directory Management User & Program Commands Operation, File Name File Structure Access Method Records Blocking Physical Blocks in Main-Memory Buffers I/O Physical Blocks in Secondary Storage Free Storage Management User Access Control File Allocation Zuständigkeit: File Management Betriebssystem R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 4

5 Dateiorganisation: Ziele Kurze Zugriffszeit Leichte Aktualisierbarkeit/Veränderbarkeit Geringer Platzverbrauch Gute Wartbarkeit Zuverlässigkeit R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 5

6 Datei-Organisation und Zugriff mögliche Arten der Datei-Organisation: unstructured sequence of bytes pile: Records variabler Länge werden in Reihenfolge des Ankommens gespeichert. sequential file: lauter Records mit fixem Format, ein Key-Feld bestimmt die Position innerhalb der Datei. indexed-sequential file: Index für direkten Zugriff. indexed file: Für alle Suchfelder eigene Indizes. direct (hashed) file: Hashfunktion über Key-Feld, keine sequentielle Reihenfolge der Dateien. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 6

7 Datei-Organisation Pile: Sequential File: KEY - Records variabler Länge - Variable Menge an Feldern - Chronologische Reihenfolge - Records fixer Länge - Fixe Menge an Feldern mit fixer Reihenfolge - Reihenfolge durch Key R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 7

8 Datei-Organisation (2) Indexed Sequential File: Indexed File: n 1 2 Index Main File Index Index Index Overflow File Primary File R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 8

9 Datei-Organisation (3) Hash File: Hash Function f Primary File Overflow File R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 9

10 File Types Regular Files ASCII Files versus binary Files binary Files: Daten, Executables, etc. BS muss eig. Exe-File Format interpretieren können: Header, Text, Data, Relocation Bits, Symbol Table Magic Number im Header kennzeichnet exe-file Directories Character Special Files Repräsentation sequentieller I/O Geräte Block Special Files Repräsentation von Platten R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 10

11 File Attributes Protection, Password, Creator, Owner Read-only flag, Hidden flag, System flag, Archive flag, ASCII/binary flag, Random access flag, Temporary flag, Lock flags Record length, Key position, Key length Creation time, Time of last access, Time of last change Current size, Maximum size R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 11

12 File Names Anzahl der Zeichen ( ) Bsp.: MS-DOS (Win95, Win98): 8 Zeichen + Extension, Unix: 255 Zeichen Relevanz von Groß-/Kleinschreibung, erlaubte Zeichen Bsp: Unix unterscheidet Gr./Kl.Schreibung, Win95/98 nicht File Name Extensions Teil des Namens (Win) vs. Konvention (Unix) Anzahl der Extensions: eine (Win) vs. beliebig (Unix) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 12

13 File-Operationen Typische Operationen: Create, Delete Open, Close Read, Write, Append Seek Get Attributes, Set Attributes Rename Lock R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 13

14 Datei-Verzeichnis (Directory, Folder) Verzeichnis gespeicherter Dateien Liefert eine Abbildung von symbolischen Dateinamen auf tatsächliche Dateien. Einträge: Name, Attribute, physikalische Adresse der Daten Struktur: einfache Liste (erste BS) hierarchische Baumstruktur Verzeichnisse in Hash-Struktur gespeichert für schnellere Zugriffszeiten (vs. separate Dateien). R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 14

15 Verzeichnis mit Baumstruktur Hauptverzeichnis Verzeichnis klaus Verzeichnis home System home usr hans klaus log.txt mail Pfadname: /home/klaus/log.txt Datei log.txt R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 15

16 Pfadnamen absolut (absolute path name): identifiziert Datei durch Beschreibung des Pfads von der Root ausgehend Windows: \usr\william\mailbox Unix: /usr/william/mailbox relativ (relative path name): lokalisiert Datei vom Working Directory (Current Directory) aus working directory /usr relative path: william/mailbox Current directory:. (dot)./william/mailbox Parent directory:.. (dotdot)../home/klaus/log.txt R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 16

17 Directory-Operationen Typische Operationen: Create, Delete Opendir, Closedir Readdir, Rename Link, Unlink Änderung der Zugriffsrechte, etc. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 17

18 File System Implementierung Wie werden Files und Directories gespeichert? Wie wird der Plattenplatz verwaltet? Performance? Zuverlässigkeit?... R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 18

19 Beispiel: File-System Layout disk master boot record partition table partition MBR boot block super block free mgmt i-nodes root dir. files & directories Unix/linux partition [figure: Operating Systems. Tanenbaum, Woodhull; PEARSON, 2006] R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 19

20 Disk und File-System Layout Disk-Unterteilung in Partitionen mit unabh. FS Master Boot Record (MBR) in Sektor 0 der Disk Boot Code Partition Table (start/end of partitions, active partition) Systemstart: BIOS exekutiert Code des MBR Lokalisieren der aktiven Partition Ausführen des ersten Blocks (=Boot Block): Laden des BS der aktiven Partition Alternativ: Boot Menü zur BS/Partitionswahl Boot Block im ersten Sektor (Floppy Disks) MBR = initial program loader (IPL), volume boot code, masterboot R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 20

21 Datei Implementierung Eine Datei besteht im Sekundären Speicher als Sammlung von Blöcken Wo sind die Blöcke eines Files zu finden? Verschiedene Strategien der Block-Allokierung R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 21

22 Datei Implementierung (2) Contiguous Allocation: eine Datei belegt eine einzige, aneinander grenzende Menge von Blöcken. Vorteil: gute Performance beim Lesen Nachteile: Platzprobleme beim Vergrößern einer Datei; externe Fragmentierung. Verwendung bei CD-ROMs, DVD-ROMs Chained Allocation: Belegung typ. einzelner Blöcke, die über Zeiger auf den Folgeblock verkettet sind. Vorteil: keine externe Fragmentierung. Nachteile: keine Lokalität der Blöcke; langsamer Zugriff bei Random Access; Nutzdaten pro Block < 2 n,da Zeiger auf Nachfolgeblock selbst Platz im Block braucht. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 22

23 Datei Implementierung (3) Indexed Allocation: wie Chained Allocation, allerdings werden die Pointer in einer Tabelle im Speicher (File Allocation Table, FAT) und nicht in den Blöcken der Datei gehalten. Vorteile: Sowohl direkter als auch sequentieller Zugriff gut unterstützt; Blöcke ganz für Nutzdaten verfügbar Nachteil: großer Platzbedarf für FAT im Arbeitsspeicher I-Nodes (Index Node): Datenstrukur für jedes File, enthält Fileattribute und Referenzen auf die Blöcke des Files. Vorteil: I-node wird nur im Memory gebraucht, wenn ein File verwendet wird (notwendig: Array, das i-nodes für maximale Anzahl offener Dateien halten kann) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 23

24 Datei Implementierung (4) I-Nodes (Forts.): Nachteil: Anzahl der Blockreferenzen pro i-node ist begrenzt à Verwendung indirekter, doppelt und dreifach indirekter Blöcke i-node attributes R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 24

25 Sequential Files Blocking seq. File: Records logische Einheit für Dateizugriff Methoden zur Abbildung von Records auf Blöcke: Fixed blocking: Records fixer Länge, integrale Anzahl von Records pro Block à Verschnitt Variable-length spanned blocking: Records variabler Länge, Records können auch auf zwei Blöcke verteilt sein à kein Verschnitt Variable-length unspanned blocking: Records variabler Länge, Record als ganzes in einem Block gepeichert à Verschnitt R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 25

26 Block-Verwaltung (2) Fixed Blocking: R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Variable Blocking Spanned: R1 R2 R3 R4 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 Variable Blocking Unspanned: R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R6 R11 R10 Track 1 Track 2 Track 1 Track 2 Track 1 Track 2 R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 26

27 Directory Implementierung Auffinden von Dateien 1. Lokalisierung des Root Directories 2. Interpretation des Pfadnamens Position des Root Directories fixe Position vom Partitionsanfang aus Unix: Startadresse der i-nodes im Super Block erster i-node verweist of Root Directory Win: Boot Sector enthält Information über Adresse der Master File Table (MFT) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 27

28 Directories und File-Attribute Wo findet das BS die File-Attribute? File-Attribute in Directory-Einträgen Bsp.: Directory-Einträge fixer Größe der Form: Filename (fixe Größe), Struktur mit File Attributen, eine oder mehrere Block-Adressen Ablegen der Attribute in i-nodes Directory Einträge: Filename, i-node Nummer R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 28

29 Bsp.: Directories in Win95/98 basiert auf MS-DOS File System new in Win95/ N creat. last last base name ext. file size T dt./tim. acc s write attributes starting block upper 16 bits Erweiterungseinträge für lange Filenamen starting block lower 16 bits characters 0 6 characters (unicode chars) 0 2 chars sequence attributes 0x0F check sum R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 29

30 Bsp.: Directories in Unix ursprüngliche Basisstruktur 2 14 file name i-node Nummer R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 30

31 File Block Size Wie groß sollen die Blöcke von Dateien sein? Nutzung des Speicherplatzes Zugriffszeit [figure: Operating Systems. Tanenbaum, Woodhull; PEARSON, 2006] Speicherplatznutzung vs. Datenrate, Dateigröße konst. 2Kbyte R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 31

32 Verwaltung freier Blöcke Disk Allocation Table zur Markierung freier Blöcke Chained Free Portions: Alle freien Bereiche verbunden per [Zeiger/Länge]-Eintrag. Problem: mit der Zeit Fragmentierung, Overhead für Zeigerupdate (=R/W) bei Fileoperationen. Bit Tables: Bitvektor mit je einem Bit pro Plattenblock. Geringer Platzbedarf, guter Überblick über Folgen von freien Blöcken. Indexing: Freie Blöcke als eigenes File betrachtet. Effizient für alle Datei-Belegungsverfahren. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 32

33 Performance Disk Caching Ausnutzung der Lokalität Bedeutung eines Blocks für die Konsistenz des Filesystems à Write Back Block Read Ahead Kopfbewegungen der Disk [figure: Operating Systems. Tanenbaum, Woodhull; PEARSON, 2006] R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 33

34 Zusammenfassung File ist zentrales Element der meisten Programme. User-Sicht versus Designer-Sicht Filesystemstruktur Files, Directories, Special Files Abbildung von Files auf Dateiblöcke, Blockgröße, Verwaltung freier Blöcke R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, File-Management; WS 13/14 34

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