Лекция 7. Файловые системы

Многие из многопроцессорных вычислительных компьютеров строятся как сети. Если рассматривать кластер, как объединение компьютеров, и локальную сеть, то, в принципе, мы увидим, что это практически одно и то же, с точностью до оборудования. Разница состоит в том, что сетевые ОС обеспечивают функционирование распределенных приложений, а кластер – это некий единый компьютер с более простой сутью, т.н. распределенной ОС. Между компьютерами, образующими кластер, распределяются некоторые функции ОС, такие как:

• управление процессами, планирование, организация и синхронизация

• функции файловой системы

Эти компьютеры, в основном, работают в пакетном режиме. Их задача – минимизирование времени работы ОС.

Файловые системы.

Одним из важных компонентов операционной системы является средство управления данными операционной системы, которое обычно называют файловой системой. Итак, файловая система - это компонент операционной системы, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных. Эти именованные наборы данных называются файлами.

Еще недавно доступ к данным производился только через адреса носителей, а координатами данных были имя устройства, номер блока и список остальных => организация данных зависела от того, как использовался этот носитель. Это было неудобно, во-первых, потому, что надо помнить о местоположении файла, а, во-вторых, чтобы перенести файл в другое место, надо было написать программу.

Появления ФС как систем именованного доступа совершило революцию. Пояилась возможность ассоциировать совокупности данных некоторое имя. Появились ссылки на координаты относительно начала. ОС брала на себя обязанности по сохранению и защите данных.

С точки зрения структуры организации данных существует ряд подходов:

1. последовательность байтов ( без структуры);

2. последовательность записей фиксированного размера (исторически появилась из-за использования перфокарт. Читалось по 80 байтов.)

3. файлы, имеющие организацию записей переменной длины (либо имеющие спец инф-цию о длине, либо со спец маркером конца). Исключался прямой доступ к записям. Изменение длины существующей записи приводило к определенным проблемам.

4. иерархическая организация файла (структура в виде дерева. В каждом узле находится информация о записи: поле ключа и поле данных. Место расположения записи в общем случае произвольно.

с точки зрения прагматики, в современном мире многие ФС – это комбинации данных типов.

С точки зрения ФС, каждый файл имеет набор параметров, которые определяют свойства этого файл, т.н. атрибуты файла:

• имя

• права доступа к файлу

• персонификация (владелец, пользователи)

• тип файла (правила интерпретации содержимого файла)

• размер записи (не обязательно)

• указатель чтения\записи (все операции доступа относятся к некоторой позиции, на которой находимся)

• другое

= время последующей модификации

= время последнего обращения

= …

Практически каждая операционная система однозначно определяет набор функций, обеспечивающих обмен с файлом. Обычно, этот набор функций содержит следующие возможности по работе с файлами:

1. Открытие файла. Эта функция обеспечивает установление взаимосвязи между программой и хранящимся на внешнем носителе файлом. Это средство объявляет операционной системе тот факт, что с данным файлом будет работать тот или иной процесс. А операционная система, исходя из этой информации, может принять какие-либо решения (например, блокировать, разрешить или синхронизировать доступ к этому файлу со стороны других процессов).

2. Закрытие файла. Закрытие файла - информация операционной системе о том, что работа с файлом завершена. При этом меняется статус доступа к файлу со стороны процессов. Операция закрытия файла осуществляется двумя функциями:

• закрыть и сохранить текущее содержимое файла;

• уничтожить файл.

3. Создать новый файл. Функция создает новый файл. В некоторых ОС создание файла осуществляется по функции открытия файла.

4. 

   Чтение/запись. Обычно обмен с файлами может организовываться некоторыми блоками данных. С одной стороны, размеры этих блоков данных могут варьироваться программистом, с другой стороны реальные физические ресурсы также могут иметь блочную структура и, следовательно, определенный размер блока. Получается, что эффективность обменов, а, следовательно, и эффективность работы всей ВС в целом, в данном случае зависит от умения программиста, потому что именно он при использовании функций чтения/записи определяет длину блоков, которыми будет осуществляться обмен. Например, размер блока нашего жесткого диска равен 512 Кб, а мы читаем довольно приличный объем данных «порциями» по 128 Кб, то это значительно отразится на эффективности работы нашей программы, не смотря на то, что некоторые «умные» операционные системы пытаются сглаживать эти элементы неэффективности.

5. Управление файловым указателем. Практически с каждым открытым файлом связывается т.н. файловый указатель. Этот указатель, по аналогии с регистром счетчика команд (а скорее даже по аналогии с регистром-указателем на вершину стека), в каждый момент времени показывает на следующий относительный адрес по файлу, с которым можно произвести обмен. После обмена с данным блоком указатель переносится на позицию через блок. Для организации управления работы с файлами требуется уметь управлять этим указателем. В операционных системах имеется функция, позволяющая произвольным образом перемещать указатель в пределах файла. Доступ к содержимому файла может быть, по аналогии со способами работы с ВЗУ, прямым (двигаем указатель куда нам нужно в пределах файла и читаем / пишем) и последовательным (чтобы прочесть i-ый блок данных необходимо сначала прочесть первые i-1 блоки). Вообще говоря, файловый указатель есть некоторая переменная, доступная программе, которая создается при открытии файла.

Типовые программные интерфейсы работы с файлами

open – открытие / создание файла

close – закрытие

read / write – читать, писать (относительно положения указателя чтения / запись)

delete – удалить файл из файловой системы

seek – позиционирование указателя чтение/запись

rename – переименование файла

read / write _attributes – чтение, модификация атрибутов файла.

Один из важнейших элементов ФС – организация каталога – части ФС, содержащей инф-цию о содержащемся в ФС файле. Нек ФС рассматривают каталог как файл специального типа (UNIX). Но если это файл, то можно использовать стандартные интерфейсы для работы с файлом. С точки зрения организации каталога, могут быть

1. одноуровневая модель (в ФС один каталог, где перечислены все файлы, находящиеся в ФС) проблемы:

• коллизия имен

• при большом объеме – определенная нагрузка при работе

• неудобно структурировать организацию файла

2. двухуровневая (совокупность каталогов, которые могут быть ассоциированы с пользователями. Для каждого пользователя – одноуровневая структура). Остается проблема структурирования.

3. Иерархическая ( древообразная ) ( листья – файлы или каталоги, в узлах, где нет листьев – каталоги. Каждый файл имеет уникальный путь до корня, и он может быть представлен в виде перехода. Этот путь называется полным именем файла. Каждый файл, кроме корня, зарегистрирован в каком-либо каталоге. Его имя – имя в соответствующем каталоге. Относительное имя – имя в текущем каталоге. Т.о. у каждого файла 3 имени.