Реферат: Операционные системы

За суперблоком следует область (пространство) индексных дескрипторов. Индексный дескриптор - это специальная структура данных файловой системы, которая ставится во взаимно однозначное соответствие с каждым файлом. Размер пространства индексных дескрипторов определяется параметром генерации файловой системы по количеству индексных дескрипторов, которые указаны в суперблоке. Каждый индексный дескриптор содержит следующую информацию:

1.   Поле, определяющее тип файла (каталог или нет).

2.   Поле кода защиты.

3.   Количество ссылок к данному индексному дескриптору из всевозможных каталогов файловой системы (в ситуации нарушения дерева файловой системы). Если значение этого поля равно нулю, то считается что этот индексный дескриптор свободен.

4.   Длина файла в байтах.

5.   Статистика: поля, характеризующие дату и время создания и т.п.

6.   Поле адресации блоков файлов.

                Следующее пространство файловой системы - это блоки файлов. Это пространство на системном устройстве, в котором размещается вся информация, хранящаяся в файлах и о файлах, которая не поместилась в предыдущие блоки файловой системы.

            Последняя область данных в разных системах реализуется по-разному, но для простоты изложения, мы будем считать, что эта область находится сразу за блоками файловой системы - это область сохранения.

Такова концептуальная структура файловой системы. Теперь рассмотрим детали.

Суперблок. Наибольший интерес в суперблоке вызывают последние два поля: поля информации о свободных блоках файлов и свободных индексных дескрипторах. В файловой системе UNIX-а заметно влияние двух факторов. Первый фактор - это то, что файловая система разрабатывалась в те времена, когда объем винчестера в 5-10Мб считался очень большим. Внутри структуры файловой системы заметны старания авторов оптимизировать использование пространства внешнего устройства. Второй фактор - свойство файловой системы по оптимизации доступа. Критерий оптимальности доступа - количество обменов файловой системы с внешним устройством, которые она производит для обеспечения нужд.

Список (массив) свободных блоков файлов состоит из пятидесяти элементов и занимает 100 байтов. В буфере, состоящем из пятидесяти элементов, записаны номера свободных блоков пространства блоков памяти. Эти номера записаны со второго элемента по сорок девятый. Первый элемент массива содержит номер последней записи в этом массиве. Нулевой элемент этого списка содержит ссылку на блок пространства блоков файлов, в котором этот список продолжен, и т.д.

Если какому-то процессу требуется для расширения размера его файла дополнительный свободный блок, то система по указателю Номер Блока (НБ) выбирает элемент массива (копия суперблока всегда присутствует в оперативной памяти, поэтому почти при всех таких действиях система не нуждается в обращении к СВЗУ) и этот блок предоставляется соответствующему файлу для расширения (при этом корректируется указатель НБ). Если происходит сокращение размера файла или удаление всего файла, то высвободившиеся номера записываются в массив свободных блоков, при этом также происходит коррекция указателя НБ.

Так как размер массива равен пятидесяти элементам, то возможны две критические ситуации. Первая - когда при освобождении новых блоков не удается поместить их номера в этом массиве, так как он уже полон. В этом случае из файловой системы выбирается один свободный блок (при этом он удаляется из списка свободных блоков) и заполненный массив свободных блоков копируется в этот блок. После этого значение указателя НБ обнуляется, а в нулевой элемент массива записывается номер блока, который мы выбрали для копирования в него нашего массива. В итоге, при постоянном освобождении блоков образуется список, в котором будут размещены номера абсолютно всех свободных блоков файловой системы.

Вторая критическая ситуация - когда нужно получить свободный блок, но содержимое массива исчерпалось. В этом случае система действует так: если нулевой элемент списка равен нулю, то это означает, что исчерпалось все пространство файловой системы, и выдается сообщение об этом. Если он не равен нулю, то его содержимое равно адресу продолжения массива, и операционная система подчитывает соответствующий блок и размещает это продолжение на место массива в суперблоке.

Второй массив, который находится в суперблоке - это массив, состоящий из ста элементов и содержащий номера свободных индексных дескрипторов. Работа с этим массивом осуществляется просто. Пока есть место в этом массиве, то при освобождении индексных дескрипторов свободные индексные дескрипторы записываются на свободные места массива. Если массив заполнен полностью, то запись в этот массив прекращается. Если, наоборот, содержимое массива исчерпалось, то запускается процесс, который        просматриваетобласть индексных дескрипторов и соответственно заполняет массив новыми значениями. Возможна ситуация, когда нужно создать файл, т.е. нужен новый индексный дескриптор, а в массиве нет ни одного элемента, и запущенный процесс также не нашел свободных индексных дескрипторов. Это вторая ситуация, когда система вынуждена заявить, что ресурс исчерпан (первая - когда заканчиваются свободные блоки файловой системы).

Лекция №8

Индексные дескрипторы. Индексные дескрипторы занимают несколько подряд идущих блоков на диске. Размер области индексных дескрипторов определяется параметром (который был определен при инсталляции системы), определяющим количество индексных дескрипторов для данной конкретной файловой системы. Размер области равен произведению этого количества на размер индексного дескриптора.

Индексный дескриптор - это объект UNIX-а, который ставится во взаимно однозначное соответствие с содержимым файла, за исключением случаев, когда файл есть некий специальный файл, ассоциированный с внешним устройством. В индексном дескрипторе существуют следующие поля:

1.   Поле, определяющее тип файла (каталог или нет).

2.   Поле кода защиты.

3.   Количество ссылок к данному индексному дескриптору из всевозможных каталогов файловой системы (в ситуации нарушения дерева файловой системы). Если значение этого поля равно нулю, то считается что этот индексный дескриптор свободен.

4.   Длина файла в байтах.

5.   Статистика: поля, характеризующие дату и время создания и т.п.

6.   Поле адресации блоков файлов.

Обратите внимание на то, что в индексном дескрипторе нет имени файла, хотя этот объект характеризует содержимое файла. Давайте посмотрим, как организована адресация блоков, в которых размещается содержимое файла.

В поле адресации находятся номера первых десяти блоков файлов. Если файл небольшой, то вся информация о размещении его блоков находится в индексном дескрипторе. Если файл превышает десять блоков, то начинает работать некая списочная структура. Одиннадцатый элемент поля адресации содержит номер блока из пространства блоков файлов, в котором размещены 128 ссылок на блоки данного файла.

В том случае, если файл еще больше, то используется двенадцатый элемент поля адресации. Он содержит номер блока, в котором содержится 128 записей о номерах блоков, содержащих по 128 номеров блоков файловой системы, т. е. здесь используется двойная косвенность. Если файл еще больше, то используется тринадцатый элемент и используется тройная косвенность (аналогично двойной, но добавляется еще один уровень). Предельный размер файла (при размере блока 512) будет равен (128 + 1282 + 1283) * 512 байт = 1Гб + 8Мб + 64Кб > 1Гб.

Мы с вами договаривались, что в течение нашего курса мы будем обращать внимание на несоответствие скоростей и на сглаживание этого. Первая проблема - если бы файловая система не имела в суперблоке массива свободных блоков, то пришлось бы каким-либо образом каждый раз искать свободные блоки, и эта работа была бы сумасшедшей, и файловая система рухнула бы на идейном уровне. Аналогично со списком свободных индексных дескрипторов, хотя здесь поиск был бы проще, чем для свободных блоков, но тем не менее, здесь также есть элементы оптимизации. Косвенность в адресации блоков файлов позволяет нарастать накладным расходам по чтению блоков файлов соразмерно величине этого файла. То есть если файл маленький, то накладных расходов нет, потому что при открытии файла в оперативной памяти создается копия индексного дескриптора файла, и без дополнительных обращений к ВЗУ можно добраться к любому из десяти блоков файла сразу же. Если необходимо работать с блоками, размещенными на первом уровне косвенной адресации, то появляется один дополнительный обмен, но при этом доступ можно осуществить уже к 128-и блокам. Аналогичные рассуждения и для блоков второго и третьего порядка. Казалось бы, плохо то, что при обмене с большим файлом приходиться осуществлять множество дополнительных обменов, однако система UNIX хитрая - она использует глубокую эшелонированную буферизацию обменов с ВЗУ. То есть если мы и получаем некоторые накладные расходы на одном уровне, то они компенсируются на другом уровне оптимизации взаимодействия системы с внешней памятью.

Блоки файлов. Размер пространства блоков файлов определен однозначным образом за счет информации в суперблоке.

Область сохранения процессов. Хотя эта область изображена за блоками файлов, но она может быть размещена и в некотором файле файловой системы или на произвольном месте других ВЗУ. Это зависит от конкретной реализации системы. По сути, эта область является полезной областью, в которую происходит откачка процессов, а также эта область используется для оптимизации запуска наиболее часто используемых процессов с использованием, так называемого,  t-бита файла (подробнее об этом будет рассказано позже).

Итак, мы с вами рассмотрели структуру файловой системы и ее организацию на системном устройстве. Как любая системная конструкция, структура файловой системы и связанные с ней алгоритмы работы просты настолько, чтобы при работе с ними накладные расходы не выходили за пределы разумного. Файловая система UNIX-а при реальной работе заведомо оптимальнее файловой системы Windows NT (сравните даты разработок!!!), за счет простоты и оптимизации, которая встречается на каждом шагу.

Каталоги

Мы с вами говорили, что одним из свойств операционной системы UNIX является то, что вся информация размещается в файлах, т.е. нет каких-то специальных таблиц, которыми пользуется операционная система, за исключением тех таблиц, которые она создает, уже функционируя в пространстве оперативной памяти. Каталог, с точки зрения файловой системы, - это файл, в котором размещены данные о тех файлах, которые принадлежат каталогу.

                                                                                                                       В каталоге А содержаться файлы В, С и D, несмотря на то, что файлы В и С могут быть как файлами, так каталогами, а файл D является каталогом.

Каталог состоит из элементов, которые содержат два поля. Первое поле - номер индексного дескриптора,  второе поле - это имя файла, которое ассоциировано с     данным индексным дескриптором. Номера индексных дескрипторов (в пространстве индексных дескрипторов) начинаются с единицы. Первый индексный дескриптор - индексный дескриптор каталога. В общем случае в каталоге могут встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же индексный дескриптор, но в каталоге не могут быть записи, имеющие одинаковые имена. Имя в пределах каталога уникально, но с содержимым файла может ассоциироваться произвольное количество имен. Поэтому есть некоторая неоднозначность в определении понятия файл в операционной системе UNIX. Файл оказывается не просто именованным набором данных: у него есть индексный дескриптор и может быть несколько имен (т.е. имя - вторичная компонента).

При создании каталога в нем всегда создаются две записи: запись на специальный файл с именем «.» (точка), с которым ассоциирован индексный дескриптор самого каталога, и файл «..» (две точки), с которым ассоциируется индексный дескриптор (ИД) родительского каталога. Для нашего примера каталог А имеет, например, ИД с номером 7, а каталог D имеет ИД с номером 5. Файл F имеет ИД  №10, файл G имеет ИД  №101. В этом случае файл-каталог D будет иметь следующее содержимое:

Имя	№ИД
«.»		5	Первая запись - запись на самого себя.
«..»		7	Вторая запись - на родителя (каталог А).
«F»		10	Далее перечислены  файлы, которые находятся в этом каталоге.
«G»		101	Вот таким будет содержимое каталога D.

Отличие файла-каталога от обычных файлов пользователя заключается в содержимом поля типа файла в ИД. Для корневого каталога поле родителя будет ссылаться на него самого.

Теперь схематически рассмотрим, как могут использоваться полные имена и структура каталогов. В системе, в каждый момент времени работы пользователя определен текущий каталог, то есть каталог и весь путь от корня, связанный с этим каталогом, который по умолчанию подставляется ко всем именам файлов, не начинающихся с символа «/». Если текущий каталог D, то можно говорить просто о файлах F и G, а если надо добраться до файла В, то необходимо использовать полное имя или специальный файл «..», т.е., в данном случае, конструкцию «../В». Мы ссылаемся на файл «..» - это означает, что нужно прочесть ИД родителя и по нему добраться до содержимого каталога А. Затем в файле-каталоге А надо выбрать строку с именем В и определить ИД файла В, а затем произвести открытие файла. Вся эта операция довольно трудоемка, однако учитывая то, что файлы открываются не часто, это не будет сказываться на скорости работы системы.

Мы говорили, что с одним и тем же содержимым может ассоциироваться несколько имен, т.е. одновременно могут быть открыты файлы с одним и тем же ИД. Возникает проблема - как синхронизируется работа с содержимым файла в случае его открытия разными процессами или с разными именами. В UNIX-е это решается достаточно корректно (это мы рассмотрим несколько позже).

Специальные файлы устройств

Мы уже знаем два типа файлов: файлы-каталоги и рабочие файлы, в которых хранятся данные. Есть третья разновидность - файлы устройств. Эта разновидность характеризуется типом, указанным в ИД. Содержимого у файлов устройств нет, а есть только ИД и имя. В ИД указывается информация о том, какой тип устройства ассоциирован с этим файлом: байт-ориентированное устройство или блок-ориентированное устройство. Байт-ориентированное устройство - это то устройство, обмен с которым осуществляется по одному байту (например, клавиатура). Блок-ориентированное устройство - это устройство, с которым обмен может осуществляться блоками.

Также имеется поле, определяющее номер драйвера, связанного с этим устройством (у одного устройства может быть несколько драйверов, но не наоборот). Это поле, на самом деле, есть номер в таблице драйверов соответствующего класса устройств. В системе имеются две таблицы: для блок- и для байт-ориентированных устройств. Также в ИД определен некоторый цифровой параметр, который может быть передан драйверу в качестве уточняющего информацию о работе.

Организация обмена данными с файлами

Определим сначала, что является низкоуровневым вводом/выводом в системе. В файловой системе UNIX-а определены некоторые специальные функции, которые называются системными вызовами. Системные вызовы осуществляют непосредственное обращение к операционной системе, то есть это функции, выполняющие некоторые действия операционной системы. Реализация системных и библиотечных функций (например, математических) в корне отличается. Если библиотечная функция будет подгружена в тело процесса, который пользуется этой библиотекой, то все действия в большинстве случаев будут выполняться в пределах этого процесса, а системный вызов сразу же передает управление операционной системе и она выполняет заказанное действие. В UNIX-е для обеспечения низкоуровнего ввода/вывода, т.е. ввода/вывода, который реализуется посредством системных вызовов, имеется набор функций. Вот основные из них:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6