Dateisystem. Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero WS 2011/2012. M. Esponda-Argüero

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1 Dateisystem Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero WS 2011/2012 1

2 Dateisystem Das Betriebssystem muss eine Schnittstelle zur Verfügung stellen, die für alle verschiedenen Massenspeichermedien funktioniert. 2

3 Erste Festplatten 1956 IBM-350 RAMAC-Festplatte 5 MByte Daten 1 Tonne Zugriffszeit von 600 Millisekunden $ Mini-Festplatte 3

4 50 Jahre später IBM RAMAC (1956) Seagate Momentus (2006) Differenz Kapazität 5MB 160GB 32,000 Flächendichte 2K bits/in Gbits/in 2 65,000,000 Preis/MB $1,000 $ / 3,200,000 Spindelgeschwindigkeit 1,200 RPM 5,400 RPM 5 Gewich ca. 1 ton 4 oz 1 / 9,000 Daten-Transfer 10 KB/s 44 MB/s 4,400 Leistung 5000 W 2 W 1 / 2,500 Suchen 600 ms 10 ms 1 / 60 1 / 9,000 4

5 Dateisystem CPU Hauptspeicher Memory Bus (System Bus) Bridge Ein-/Ausgabe-Bus off-line Speicher Festplatte NIC CD-RW USB drive 5

6 Dateisystem Schnittstelle zum Benutzerprogramm VFS-Schnittstelle Lokales Dateisystem von Typ 1 Lokales Dateisystem von Typ 2 Remote-Dateisystem Netz 6

7 Datei-Konzept Datei (File) Abstrakte Datenstruktur, die die kleinste logische Informationseinheit darstellt, die von einem Prozess erzeugt und persistent gespeichert werden kann. Das Betriebssystem befreit die Benutzer und Software- Entwickler von Hardwaredetails, indem eine abstrakte Informationseinheit zur Verfügung gestellt wird. 7

8 Datei vs. Disk Datei Abstraktion - Die Information ist in Bytes Massenspeicher - Die Information ist in Blocks - Symbolische Namen - Blocknummer - Zugriff-Schutz - Kein Schutz - Konsistenz wird garantiert - Keine Garantie über die Konsistenz, nachdem ein Block überschrieben wird. 8

9 Datei-Struktur - keine einfache Sequenz von Zeichen oder Bytes - einfache Struktur Sequenz von Datensätze festen oder variablen Längen - komplexe Struktur ELF-Dateien Baum-Struktur formatierte Dokumente Wer entscheidet das Betriebssystem oder das Programm 9

10 Dateistruktur Dateien können verschiedene interne Strukturen haben. Unstrukturierte Byte-Folge Sequenz von Datensätzen Baum von Datensätzen 10

11 - Lokale Dateisysteme - Baumstruktur - O(log n) Dateisystem-Struktur 11

12 Dateisystem-Struktur Dateisysteme haben Verzeichnisse, die selbst wieder als Dateien gespeichert werden müssen. - mit einer Ebene - früher auch in großen Rechnern - heute nur in kleinen eingebetteten Systemen - sehr einfach zu implementieren - URLs - zwei Ebenen - Erste Lösung in Mehrbenutzersystemen 12

13 Dateisystem-Struktur - Hierarchische Dateisysteme - modernen Systeme sind meistens so organisiert Filesystem Hierarchy Standard (FHS) - Relationäle DBFS (Java basierte Dateisystem-Implementierung), liquidfolders, WinFS - nach Kontext Page-Ranking - Content-based Bilder nach der umgebenen Information zu klassifizieren, ohne den Namen zu kennen (Google) 13

14 Anforderungen an das Dateisystem Persistent - Dateien sollen gesichert werden nach Abschalten oder nach Absturz des Systems Benennung von Dateien - flexibel - Eine Datei darf mehrere Namen haben Geschützte/gemeinsame Benutzung - exklusiver Zugriff - beschränkter/gemeinsamer Zugriff Effizient für verschiedene Zugriffspattern - Sequentieller Zugriff - Random-Zugriff Minimaler Platz-Overhead für Metadaten 14

15 Dateisystem Datei-Operationen create(), open(), close(), read(), write(), seek(), unlink(), usw. Virtuelles Dateisystem VFS Buffer Cache Schnittstelle zum Benutzerprogramm. Abstraktion innerhalb des Kernels, um die Koexistenz von verschiedenen Dateisystem- Implementierungen zu ermöglichen. Eine Hashtabelle mit Buffer-Einträgen und eine Liste leerer Buffer wird hier verwaltet. Gerätetreiber 15

16 Datei - Eigenschaften Grundlegende Eigenschaften Name Identifier Type Location Symbolischer Name Tag-Nummer, um eine Datei innerhalb des Dateisystems eindeutig zu identifizieren. Wichtige Information für Systeme, die verschiedene Dateitypen unterstützen. Zeiger auf das Gerät und auf die Position innerhalb des Geräts, in dem die Datei gespeichert ist. 16

17 Datei - Eigenschaften weiter mit grundlegenden Eigenschaften Size Protection Time Owner Größe der Datei in Bytes, Words oder Blocks. Zugriffskontrolle. Zeitinformation über Erzeugung, letzte Veränderung und letzte Verwendung. Welche Programme/Benutzer hat die Datei gespeichert. 17

18 Grundlegende Datei-Operationen Aus Betriebssystemsicht Create - Platz für eine neue Datei muss gefunden werden - Ein Eintrag ohne Daten für die neue Datei muss in dem entsprechenden Verzeichnis gemacht werden Write - Eine Datei wird gesucht, deren Namen eingegeben werden muss. - (Das System muss ständig die Position aufbewahren, in der als nächstes geschrieben werden soll). Read - Ein angegebener Dateiname wird gesucht, Daten werden gelesen und an eine angegebene Speicherposition platziert. - (Ein Zeiger auf die nächste Position, die gelesen werden kann, muss ständig aufbewahrt werden). 18

19 Grundlegende Datei-Operationen Aus Betriebssystemsicht Seek - Eine Datei wird durchsucht und ein Zeiger auf einem gesuchten Wert platziert. Delete - Zuerst wir der Name der Datei gesucht und nachdem der Name im Verzeichnis gefunden wurde, wird zuerst der Platz freigegeben, der die Datei belegt. - Zum Schluss wird die Datei-Entry aus dem Verzeichnis gelöscht. Truncate - Diese Operation erlaubt es, den Inhalt einer Datei zu löschen, ohne den Eintrag mit Eigenschaften aus dem Verzeichnis zu löschen. 19

20 Datei-Operationen Weitere Operationen können prinzipiell aus den ersten sechs grundlegenden Operationen zusammengesetzt werden. z.b. append rename copy - Am Ende einer Datei werden neue Daten angehängt. - Eine Datei wird gesucht und ihre Namen-Eigenschaft geändert. - Hier wird eine neue Datei erzeugt und dann mit Readund Write-Operationen der Inhalt kopiert. Eine Reihe von set- und get-operationen, mit denen die Eigenschaften von Dateien geändert werden können, gehören auch zur Dateisystem- Schnittstelle. 20

21 Datei-Operationen Die meisten Betriebssysteme bieten eine open- und close- Operation. Mit Hilfe dieser beiden Operationen können Prozesse den Zugriff auf Dateien für eine Weile ermöglichen und eine Reihe von Leseoder Schreibe-Operationen effizienter realisieren. Mehrere Prozesse sollen auch manchmal gleichzeitig auf eine Datei zugreifen können. Für die Implementierung der open- und close- Operationen verwendet das Betriebssystem eine oder mehrere Tabellen. open-file tables 21

22 Das Öffnen einer Datei Virtuelles oder konkretes Speichergerät suchen Datei in die Verzeichnisstruktur suchen Zugriffsrechte kontrollieren Konsistenz der Operation überprüfen Lokalität der Datei feststellen Verwaltungsstrukturen der Datei im Hauptspeicher anlegen für spätere Lese-/Schreibe-Operationen die geöffnete Datei wird in die open-file Table des Prozesses eingetragen. Das Schließen einer Datei - Nach Eingabe der Datei-Eintragszeiger wird diese aus der open-file Table des Prozesses entfernt. 22

23 Verwaltung geöffneter Dateien Pro Datei werden mindestens Informationen zum Auffinden der Datenblöcke Informationen über die Zugriffsrechte ein Referenz-Zähler Pro Ein-/Ausgabekanal werden mindestens die Referenz auf die Dateiinformationen ein individueller Positionszeiger innerhalb der Datei ggf. ein weiterer Referenz-Zähler benötigt. 23

24 Verwaltung geöffneter Dateien Das Dateisystem verwendet oft zwei Tabellen. pre-process table hier werden alle Dateien eingetragen, die ein Prozess gerade benutzt. Zusätzliche Information wie z.b. Iterator, Zugriffsmodus und ein Zeiger auf den Eintrag der Datei in die system-wide table. system-wide table Hier befinden sich prozessunabhängige Informationen über die Dateien wie z.b. Dateigröße, Zugriffsdaten, Lokalität auf dem Speichermedium und ein Zähler pro Datei, um zu kontrollieren, wie viele Prozesse gerade mit der Datei arbeiten. 24

25 Beispiel Unix/Linux Kanäle - 0 Standard-Eingabekanal - 1 Standard-Ausgabekanal - 2 Standard-Fehlerkanal Prozess B Prozess A Festplatte 25

26 Verwaltung geöffneter Dateien Ein-Ausgabekanäle Iteratoren Dateien Verzeichnis Prozess A Prozess B Benutzer- Adressraum open file table pos pos pos Kernel-Adressraum 26

27 Schutz-Mechanismen Das Betriebssystem muss kontrollierte Zugriffsmöglichkeiten auf Dateien anbieten. Zwingend (Mandatory) oder beratend (advisory): Mandatory der Zugriff auf eine Datei wird vom Betriebssystem verweigert, z.b. wenn ein anderer Prozess den Lock der Datei besitzt. Advisory Prozesse werden nur gewarnt über den Lock- Zustand einer Datei und können selber entscheiden, wie sie sich verhalten. 27

28 Datei-Locks Die meisten Betriebssysteme unterstützen die Verwendung von Locks, um den Zugriff auf Dateien zu blockieren. Verschiedene Sorten von Locks: Standard Lock Eine bereits geöffnete Datei darf nicht ein zweites Mal geöffnet werden. Opportunistic Lock Ein Client holt sich vom Server ein Datei-Lock, um in einer lokalen Kopie der Datei Veränderungen zu realisieren. Wenn ein anderer Prozess Zugriff auf die Datei haben will, unterbricht der Server den Oplock des Clients, holt sich die Veränderungen im Server und teilt den Lock dem neuen Client zu. 28

29 Dateitypen Soll das Betriebssystem Dateitypen unterstützen? Lösungen: - der Dateityp ist Teil des Dateinamens - der Dateityp wird in der Datei gespeichert - nur Dateitypen bezüglich der internen Struktur einer Datei. - jedes Betriebssystem muss mindestens die Struktur von ausführbaren Dateien unterstützen, um Programme laden und ausführen zu können. 29

30 Ausführbare Datei Dateistruktur Magische Zahl Textgröße Datengröße BSS-Größe Symboltabellengröße Einstiegspunkt Flags Text Daten Relokations-Bits Symboltabelle Header Eine sogenannte magische Zahl (magic number) am Anfang der Datei kennzeichnet seine Ausführbarkeit. Eine scheinbar unstrukturierte Folge von Bytes wird vom Betriebssystem interpretiert. Jedes Betriebssystem soll mindestens seine eigene ausführbare Datei erkennen und interpretieren können.

31 Dateizugriff Es gibt zwei Hauptformen von Dateizugriffen Sequenzieller Zugriff - einfachste Zugriffsart - in einigen Speichermedien die einzige Möglichkeit - (Magnetbänder) -Direkter Zugriff - Mit der Einführung von Festplatten als Speichermedium wurde es erst möglich. - Unentbehrlich für viele Anwendungen (z.b. Datenbanken). - Operationen mit entsprechender Blockposition müssen vom Betriebssystem angeboten werden. 31

32 Verzeichnisstruktur Die Verzeichnisstruktur kann als eine Symbol-Tabelle betrachtet werden, mit deren Hilfe Dateinamen in Verzeichniseinträge übersetzt werden können. Ein Dateieintrag kann in verschiedenen Verzeichnissen sichtbar sein. 32

33 Verzeichnisstruktur Moderne Rechnersysteme haben Graph-Strukturen in ihren Verzeichnissen. Graph ohne Zyklen Operationen: link erzeugt einen Eintrag von einer vorhandenen Datei in einem angegebenen Dateiverzeichnis. Grafikquelle: Silverschatz, Galvin, Gagne unlink löscht einen Dateieintrag in dem Verzeichnis, und wenn es keinen anderen Verweis gibt, der auf die Datei zeigt, wird auch diese gelöscht. 33

34 Link-Operationen Linux Es gibt zwei Möglichkeiten, Links zu implementieren 1. als harter Verweis (hard link) - nur auf Dateien möglich - alle Veränderungen inklusive des Löschens des Links wirken auf die ursprüngliche Datei - ein Referenz-Zähler wird mitgeführt - erfordert Schreibzugriff auf das Verzeichnis, in dem sich der Link befindet. 2. als symbolischer Verweis (symbolic link) - auf eine Datei oder ein Verzeichnis möglich - ein Problem beim Datei- oder Verzeichnislöschen ist, alle Verbindungen zu finden und diese dann zu löschen 34

35 Verzeichnisstruktur Probleme mit Graphen ohne Zyklen Wenn Dateien gelöscht werden, bleiben dangling pointers Lösungen - Mit Rückwärts-Zeiger können alle Links, die auf eine Datei zeigen, gelöscht werden, aber eine variable Dateieinträge-Größe wird notwendig. -Rückwärts-Zeiger mit daisy chain-organisation -Wenn Links auf Verzeichnisse erzeugt werden, werden die Links während der Traversierung weitergegeben (bypass). -Verwendung von Zählern. -Neuer Datentyp für Links 35

36 Verzeichnisstruktur Probleme mit Graphen ohne Zyklen Wenn Dateien gelöscht werden, bleiben dangling pointers Lösungen - Mit Rückwärts-Zeiger können alle Links, die auf eine Datei zeigen, gelöscht werden, aber eine variable Dateieinträge- Größe wird notwendig. -Rückwärts-Zeiger mit daisy chain-organisation -Wenn Links auf Verzeichnisse erzeugt werden, werden die Links während der Traversierung weitergegeben (bypass). -Verwendung von Zählern. -Neuer Datentyp für Links 36

37 Verzeichnisstruktur Allgemeine Graph-Verzeichnisse Wenn wir Links auf Verzeichnisse anlegen, entsteht ein Graph mit Zyklen. Grafikquelle: Silverschatz, Galvin, Gagne 37

38 Verzeichnisstruktur Probleme mit Allgemeinen Graph-Verzeichnissen - Zyklen innerhalb von Verzeichnisstrukturen sind ein Problem, wenn Dateien gesucht oder gelöscht werden sollen. - Zyklen in Graphen zu finden ist zeitaufwendig. Das einfachste ist es, Zyklen zu vermeiden, wenn neue Links erzeugt werden. Wie? - nur Links auf Dateien sind erlaubt weitere Lösungen sind: - Garbage Collection (sehr zeitintensiv) - Kontrollieren nach Zyklen beim Erzeugen von neuen Links. 38

39 Anflanschen von Dateisystemen In Unix-ähnlichen Betriebssystemen ist es möglich, neue Dateisysteme mit Hilfe der mount-operation zu öffnen, so als würde man einfach ein neues Verzeichnis öffnen. Innerhalb der mount-operation muss nur der Name des neuen Geräts oder Dateisystems angegeben werden und die Position innerhalb des Verzeichnisses, indem das neue Volumen angebunden werden soll. In den letzten Versionen des Windows-Systems ist es möglich, mount-operationen an beliebiegen Stellen des Verzeichnisses zu machen. 39

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