Лекции по операционным системам (1114738), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Каталог /usr можно охарактеризовать, как каталог пользовательской информации. Предполагается, что это каталог имеет свою специфичную структуру подкаталогов. В частности, каталог /usr/lib обычно содержит инструменты работы пользователей, не относящихся напрямую к взаимодействию с операционной системой (например, тут могут храниться системы программирования, C-компилятор, C-отладчик и т.п.). Еще один достаточно важным каталогом является каталог /usr/include, который содержит файлы заголовков (или include-файлы) с расширением *.h, и именно в этом каталоге будет искать препроцессор C-компилятора соответствующие файлы заголовков, указанные в программе в угловых скобках. Каталог /usr/bin — это каталог команд, которые введены на данной вычислительной установке (например, тут могут храниться команды, связанные с непосредственной деятельностью организации). И, наконец, в каталоге /usr/user размещаются домашние каталоги зарегистрированных в системе пользователей.

Итак, мы рассмотрели основные аспекты логической структуры каталогов ОС Unix. Еще раз отметим, что, придерживаясь рекомендаций системы в плане размещения тех или иных файлов, легче и удобнее поддерживать систему «в порядке».

4.2.3Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V

Рассмотрение внутренней организации файловой системы мы начнем с модели файловой системы, реализованной в ОС Unix версии System V. Данная файловая система была реализована одной из первых в ОС Unix и имеет название s5fs.

1. Структура файловой системы версии System V.

Данная файловая система имеет следующую структуру (Рис. 110.). Файловая система занимает часть того раздела, в котором она находится (назовем его системным разделом, чтобы отличать его от разделов с другими файловыми системами, имеющими схожую организацию, и которые можно примонтировать к данной системе), начиная с нулевого блока и заканчивая некоторым фиксированным блоком. Эта часть состоит из трех подпространств: суперблока, области индексных дескрипторов и блоков файлов.

Итак, первое подпространство — это суперблок. Он содержит данные, определяющие статические параметры и характеристики данной файловой системы (например, информация о размере блока файла, информация о размере всей файловой системы в блоках или байтах или же информация о количестве индексный дескрипторов в системе). Также суперблок хранит информацию об оперативном состоянии файловой системы. Суперблок является частью файловой системы, которая резидентно находится в оперативной памяти. Среди прочего суперблок хранит информацию о наличии свободных ресурсов файловой системы — наличие свободных блоков в рабочем пространстве файловой системы и наличие свободных индексных дескрипторов. Забегая вперед, отметим, что для этих целей используются соответственно массив номеров свободных блоков и массив индексных дескрипторов.

Следующее подпространство — это область индексных дескрипторов. Индексные дескрипторы были описаны нами выше, мы их рассматривали как некоторые системные структуры данных фиксированного размера, содержащих комплексную информацию о размещении, актуальном состоянии и содержимом конкретного файла.

Последнее подпространство — это блоки файлов (если быть более точным, то данное пространство корректнее было бы назвать рабочим пространством файловой системы). Здесь размещаются блоки файлов (с содержимым этих файлов), а также системная информация, которая не поместилась в суперблоке и области индексных дескрипторов.

4.2.3.1Работа с массивами номеров свободных блоков

Изначально номера всех свободных блоков файловой системы выстраиваются в единый связный список (Рис. 111.), который размещается в нескольких блоках. Первый блок располагается в суперблоке (а значит, в оперативной памяти). Каждый блок хранит номера свободных блоков, а также номер следующего блока данного массива.

1. Работа с массивами номеров свободных блоков.

Работа с массивом номеров свободных блоков достаточно проста. При запросе на получение свободного блока происходит поиск в первом блоке массива ячейки с содержательной (ненулевой) информацией, обнуление найденной ячейки, а блок с найденным номером выдается в ответ на запрос. Если же происходит обнуление последней ячейки блока, ссылающейся на следующий блок массива, то предварительно содержимое этого блока загружается в суперблок и используется уже как первый блок этого массива. Если же какой-то блок освобождается, то выполняются противоположные действия в обратном порядке.

На первый взгляд может показаться, что хранение в блоках массива свободных блоков уменьшают рабочее пространство файловой системы (т.е. пользователь не сможет воспользоваться блоками, хранящими массив), но это не так: если представить граничную ситуацию, когда нет свободных блоков, тогда нет и номеров свободных блоков, а значит, нет и блоков, хранящих эти номера, т.е. файловая система занята на 100%.

4.2.3.2Работа с массивом свободных индексных дескрипторов

Массив номеров свободных индексных дескрипторов — это массив фиксированного количества элементов. Изначально данный массив заполнен номерами свободных индексных дескрипторов.

Если происходит освобождение индексного дескриптора (т.е. происходит удаление файла), то происходит обращение к данному массиву. Если в массиве есть свободные места, то происходит запись номера освободившегося индексного дескриптора в первое встретившееся свободное место массива, иначе номер дескриптора «забывается».

При создании файла происходят обратные действия. Идет обращение к массиву, если он не пуст, то из него изымается первый содержательный элемент, который представляет собой номер свободного индексного дескриптора. Если же при обращении к массиву оказалось, что он пуст, а в суперблоке присутствует информация о наличии свободных индексных дескрипторах, то система запускает процесс обновления рассматриваемого массива. Этот процесс обращается к области индексных дескрипторов, последовательно перебирает их и в зависимости от их содержимого делает однозначный вывод о занятости или свободности дескриптора. Номера свободных индексных дескрипторов процесс помещает в массив.

Рассмотренные массивы свободных блоков и свободных индексных дескрипторов исполняют роль специализированных КЭШей: происходит буферизация обращений к системе за свободным ресурсом.

4.2.3.3Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла

Выше уже отмечалось, что индексный дескриптор (Рис. 112.) является системной структурой данных, содержащей атрибуты файла, а также всю оперативную информацию об организации и размещении данных. Система устроена таким образом, что между содержимым файла и его индексным дескриптором существует взаимнооднозначное соответствие. Заметим, что содержимое файла не обязательно размещается в рабочем пространстве файловой системы: существуют некоторые типы файлов, для которых содержимое хранится в самом индексном дескрипторе. Примером тут может послужить тип специального файла устройств.

1. Индексные дескрипторы.

Для каждого индексного дескриптора существует, по меньшей мере, одно имя, зарегистрированное в каталогах файловой системы. И еще раз повторимся, сказав, что, говоря о древовидности файловой системы, то понимают древовидности не с точки зрения размещения файла, а с точки зрения размещения имен файлов.

Индексный дескриптор хранит информацию о типе файла, правах доступа, информацию о владельце файла, размере файла в байтах, количестве имен, зарегистрированных в каталогах файловой системы и ссылающихся на данный индексный дескриптор. В частности, признаком свободного индексного дескриптора является нулевое значение последнего из указанных атрибутов.

В индексном дескрипторе также собирается различная статистическая информация о времени создания, времени последней модификации, времени последнего доступа. И, наконец, в индексном дескрипторе находится массив блоков файла.

Организация блоков файла — еще одна удачная особенность файловой системы ОС Unix. Структура организации блоков файла выглядит следующим образом. Массив блоков файла состоит из 13 элементов. Первые 10 элементов используются для указания номеров первых десяти блоков файла, оставшиеся три элемента используются для организации косвенной адресации блоков. Так, одиннадцатый элемент ссылается на массив из N номеров блоков файла, двенадцатый — на массив из N ссылок, каждая из которых ссылается на массив из N блоков файла, тринадцатый элемент используется уже для трехуровневой косвенной адресации блоков.

1. Адресация блоков файла.

Рассмотрим пример системы (Рис. 113.), в которой размер блока равен 512 байтам (т.е. 128 четырехбайтовых чисел). Если количество блоков файла больше 10, то сначала используется косвенная адресация первого уровня. Суть ее заключается в том, что в одиннадцатом элементе хранится номер блока, состоящем в нашем случае из 128 номеров блоков файла, которые следуют за первыми десятью блоками. Иным словами, посредством одиннадцатого элемента массива адресуются 11-ый – 138-ой блоки файла. Если же блоков оказывается больше, чем 138, то начинает использоваться косвенность второго уровня, и для этих целей задействуют двенадцатый элемент массива. Этот элемент массива содержит номер блока, в котором (опять-таки для нашего примера) могут находиться до 128 номеров блоков, в каждом из которых может находиться до 128 номеров блоков файла. Когда размеры файла оказываются настолько большими, что для хранения номеров его блоков не хватает двойной косвенной адресации, используется тринадцатый элемент массива и косвенная адресация третьего уровня. Итак, в рассмотренной модели (размер блока равен 512 байтам) максимальный размер файла может достигать (10+128+128²+128³)*512 байт. На сегодняшний день файловые системы с таким размером блока не используются, наиболее типичны размеры блока 4, 8, вплоть до 64 кбайт.

Обратим внимание, что рассмотренная модель адресации блоков файла является достаточно компактной и эффективной, поскольку для обращения к блоку файла с использованием тройной косвенности потребуется всего три обмена, а если учесть, что в системе реализована буферизация блочных обменов, то накладные расходы становятся еще меньше.

4.2.3.4Файл-каталог

Каталог файловой системы версии System V — это файл специального типа, его содержимое так же, как и у регулярных файлов, находится в рабочем пространстве файловой системы и по организации данных ничем не отличается от организации данных регулярных файлов.

Файлы-каталоги (Рис. 114.) имеют следующую структурную организацию. Каждая запись в ней нем имеет фиксированный размер: длина записи довольно сильно варьировалась, мы будем считать, что длина записи 16 байт. Первые два байта хранят номер индексного дескриптора файла, а оставшиеся 14 байтов — это имя файла (т.е. в нашей модели имя файла в системе ограничено 14 символами). При создании каталога он получает две предопределенные записи, которые невозможно модифицировать и удалять. Первая запись — это запись, для которой используется унифицированное имя “.”, интерпретируемая как ссылка на сам этот каталог. Соответственно, в этой записи указывается номер индексного дескриптора данного файла-каталога. Второй записью, для которой используется унифицированное имя “..”, является ссылка на родительский для данного файла каталог, и соответственно, в этой записи хранится номер индексного дескриптора родительского каталога.

1. Файл-каталог.

Отвлекаясь от файловой системы версии System V, отметим, что многие более развитые файловые системы ОС Unix поддерживают средства установления связей (Рис. 115.) между индексным дескриптором и именами файла. Можно устанавливать как жесткие связи, так и символические связи. Жесткая связь позволяет с одним индексным дескриптором связать два и более равноправных имени. Соответственно, при удалении имени, участвующего в жесткой связи, то первым делом удаляется имя из каталога, затем уменьшается счетчик жестких связей в индексном дескрипторе. В случае обнуления этого счетчика происходит удаление содержимого файла и освобождение данного индексного дескриптора.

Для организации символической связи создается файла специального типа — типа ссылки. Файл данного типа содержит полный путь к тому файлу, на который ссылается данный файл-ссылка. Используя такую косвенную адресацию, можно добраться до целевого файла. Такой подход иллюстрирует ассиметричное именование (права файла ссылки будут отличаться от прав файла, на который он ссылается).

1. Установление связей.

4.2.3.5Достоинства и недостатки файловой системы модели System V

Среди достоинств рассматриваемой файловой системы стоит отметить, что данная система является иерархичной. Также надо отметить, что за счет использования системного кэширования оптимизирована работа с массивом свободных блоков и свободных индексных дескрипторов. И, наконец, в данной файловой системе найдено удачное решение организации блоков файлов за счет использования «нарастающей» косвенности адресации.

С другой стороны, данная система не лишена недостатков, большая часть которых следует из ее достоинств. Первым недостатком является тот факт, что в суперблоке концентрируется ключевая информация файловой системы. Соответственно, потеря суперблока приводит к достаточно серьезным проблемам.

Характеристики

Список файлов лекций