Betriebssysteme 1. Thomas Kolarz. Folie 1

Transkript

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2 Betriebssysteme I - Inhalt 0. Einführung, Geschichte und Überblick 1. Prozesse und Threads (die AbstrakFon der CPU) 2. Speicherverwaltung (die AbstrakFon des Arbeitsspeichers) 3. Dateisysteme (die AbstrakFon der PlaPe) 4. Eingabe und Ausgabe 5. VerFefung am Beispiel von Linux 6. Virtuelle Maschinen und Verteilte Systeme Folie 2

3 3. Dateisysteme Grundlagen - Dateien - Dateinamen - Dateitypen - DateiaPribute - Verzeichnishierarchien Layout von Dateisystemen - Dateisystem Layout - ParFFonen - Zusammenhängende Belegung - Belegung durch verkepete Listen - FAT (File AllocaFon Table) - I- Nodes - Caching Folie 3

4 Dateien Dateien sind logische InformaFonseinheiten, die von Prozessen erzeugt werden. Die InformaFon, die in Dateien gespeichert wird, muss persistent sein, d.h. sie darf nicht von der Erzeugung oder Beendigung eines Prozesses beeinträchfgt werden. Prozesse können bestehende Dateien lesen und neue erzeugen. Dateien werden vom BS verwaltet. Der Teil des BS, der für Dateien zuständig ist, ist das Dateisystem (file system). Folie 4

5 Dateinamen Erzeugt ein Prozess eine Datei, dann gibt er ihr einen Namen Beisp.: $ echo die Datei dname wird erzeugt > dname Terminiert der Prozess, dann exisfert die Datei weiter (und andere Prozesse können über diesen Namen auf die Datei zugreifen). Beisp.: $ cat dname Zweigeteilte Namen (mit einem Punkt getrennt) werden von vielen Betriebssystemen unterstützt Beisp.: $ mv dname dname.dat Folie 5

6 Dateinamen Bei UNIX sind Dateiendungen lediglich KonvenFonen, die vom Betriebssystem nicht erzwungen werden. Unter Windows haben die Endungen dagegen eine feste Bedeutung. Benutzer oder Prozesse können Endungen beim Betriebssystem registrieren lassen und für jede Endung festlegen, mit welchem Programm sie geöffnet werden soll. Doppelklick auf einen Dateinamen: es wird das Programm gestartet, dem diese Endung zugewiesen wurde, und die Datei als Parameter übergeben. Folie 6

7 Dateitypen Sowohl UNIX als auch Windows sehen Dateien als eine unstrukturierte Byte- Folge. UNIX und Windows unterscheiden reguläre Dateien und Verzeichnisse. Reguläre Dateien enthalten BenutzerinformaFonen. Verzeichnisse (directories) sind Systemdateien, die zur Verwaltung der Struktur eines Dateisystems eingesetzt werden. Reguläre Dateien sind im Allgemeinen entweder ASCII- oder Binärdateien. ASCII- Dateien bestehen aus Textzeilen, die mit dem Zeichen für einen Zeilenumbruch (Return) oder mit dem Zeilenvorschubzeichen endet. Die anderen Dateien sind Binärdateien, was erst einmal nur heißt, dass es keine ASCII- Dateien sind. Folie 7

8 DateiaIribute Jede Datei hat einen Namen und ihre Daten. Außerdem verbinden alle Betriebs- systeme weitere InformaFonen mit jeder Datei, wie Datum, Zeitpunkt der letzten Änderung, Dateigröße und vieles mehr. Diese zusätzlichen InformaFonen werden die AIribute oder Metadaten der Datei genannt. Folie 8

9 DateiaIribute Folie 9

10 Verzeichnishierarchien Um den Überblick zu behalten, haben Dateisysteme normalerweise Verzeichnisse (in vielen Betriebssystemen sind das Systemdateien, die vor allem MetainformaFonen der Dateien enthalten. Folie 10

11 Dateisystem Layout Dateisysteme werden auf PlaPen gespeichert. PlaPen können in mehrere ParLLonen mit unabhängigen Dateisystemen unterteilt werden (Beisp.: C mit NTFS, D mit FAT32, E mit Ext3) Der Sektor 0 auf der PlaPe wird MBR (Master Boot Record) genannt und kommt beim Hochfahren des Computers zum Einsatz. Am Ende des MBR steht die ParLLonstabelle (enthält die Anfangs- und Endadresse jeder ParFFon). Eine der ParFFonen ist als akfv markiert. Folie 11

12 Dateisystem Layout Beim Hochfahren liest das BIOS den MBR ein und führt ihn aus. Das MBR- Programm lokalisiert als Erstes die akfve ParFFon, liest deren ersten Block, den Boot- Block und führt ihn aus. Das Programm im Boot- Block lädt das Betriebssystem, dass in dieser ParFFon gespeichert ist. Jede ParFFon beginnt mit einem Boot- Block, auch wenn sie kein boooähiges System enthält (könnte sich ja ändern). Folie 12

13 ParLLonen Der Superblock enthält eine magische Zahl, um den Typ des Dateisystems, die Anzahl der Blöcke im Dateisystem, und andere administrafve SchlüsselinformaFonen zu idenffizieren. Als Nächstes könnten InformaFonen über die freien Blöcke im Dateisystem folgen, z.b. in Form einer Liste von Zeigern, danach kommen die I- Nodes und danach die InformaFonen des Wurzelverzeichnisses. Folie 13

14 Zusammenhängende Belegung Sehr einfach: Datei ist durch die Adresse des ersten Blocks und die Gesamtanzahl der Blöcke, die zu der Datei gehören beschrieben Nachteil: PlaPe wird mit der Zeit fragmenfert, so dass sie verdichtet werden muss, was sehr Zeitaufwendig ist Verfahren findet bei CD- ROMs Verwendung Folie 14

15 Belegung durch verkeiete Listen Das erste Wort eines jeden Blocks wird als Zeiger auf den nächsten Block genutzt Nachteile: wahlfreie Zugriff ist sehr langsam, da für das Lesen des n- ten Blocks vorher die Blöcke bis n- 1 gelesen werden müssen Folie 15

16 FAT File AllocaLon Table Folie 16

17 FAT File AllocaLon Table Datei- AllokaLonstabelle (FAT File AllocaLon Table) Der wahlfreie Zugriff auf besfmmte Blöcke ist schneller als bei einer verkepeten Liste, da nur die Tabelle untersucht werden muss, die im Arbeitsspeicher steht und nicht jeder Block gelesen werden muss (PlaPenzugriff!). Blockgrößen sind Zweierpotenzen, da der Zeiger nicht mehr im Block steht. BenöFgt viel Platz im Arbeitsspeicher: bei einer 1 TB großen PlaPe, 1 KB Block- größe und 4 Byte pro Eintrag wäre die Tabelle 4 GB groß. Folie 17

18 I - Nodes Jeder Datei wird eine Datenstruktur, ein sog. I- Node (Indexknoten), zugewiesen. Der I- Node listet die APribute und PlaPenadressen der Blöcke auf, die zu der Datei gehören. Um I- Nodes für sehr große Dateien zu organisieren, kann das Ende eines I- Nodes eine Adresse zu einer weiteren Datei mit Blockadressen enthalten (damit kann jeder I- Node gleich groß sein!). Der Vorteil gegenüber einer Tabelle mit einer verkepeten Liste ist, dass nur die I- Nodes im Arbeitsspeicher benöfgt werden, deren Dateien gerade geöffnet sind. Folie 18

19 I - Nodes Folie 19

20 Caching Durch eine Block- Cache oder Puffer- Cache im Arbeitsspeicher können PlaPenzugriffe reduziert werden. Ein Block- Cache ist eine Ansammlung von Blöcken, die logisch zur PlaPe gehören, jedoch aus Gründen der Performanz im Arbeitsspeicher gehalten werden. Die SituaFon ist ähnlich der beim Paging (hier ist der Arbeitsspeicher der Cache, der die PlaPenblöcke speichert). Alle Seitenersetzungsalgorithmen, wie FIFO, LRU, Clock, sind hier anwendbar. Ein wesentlicher Unterschied zum Paging ist, dass Block- Cache- Referenzen relafv selten sind und es daher prakfkabel ist den LRU Mechanismus einzusetzen. Folie 20

21 Zusammenfassung Von außen betrachtet ist ein Dateisystem eine Ansammlung von Dateien und Verzeichnissen sowie deren OperaFonen. Von innen betrachtet ist das Dateisystem die Methode den PlaPenplatz zur Speicherung permanent benöfgter Daten zu verwalten. Das Dateikonzept als AbstrakLon der PlaIe zu sehen ist eine sehr treffende Sichtweise. Folie 21