CAP.8: Il file system

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1 Struttura interna del sistema operativo Linux CAP.8: Il file system Primitive per la gestione dei file 28/10/2013

2 File System Il gestore del file system è quel componente del Sistema Operativo che realizza i servizi di gestione dei file file: unità di archiviazione in memoria di massa. Il file system rappresenta quindi la struttura logica della memoria di massa (organizzazione e memorizzazione dei file) ed è costituito da un insieme di primitive del Sistema Operativo e relative strutture dati di supporto. Le astrazioni fornite dal file system sono: File, link e operazioni sui file Directory e file speciali Attributi e politiche di accesso Mapping del file system logico sui dispositivi fisici -2-

3 File (i) Il concetto di file offre una visione logica omogenea delle informazioni memorizzate. La visione logica non dipende dal tipo di dispositivo fisico su cui le informazioni vengono memorizzate Un file è costituito da: una sequenza di byte, che rappresenta l insieme di informazioni omogenee; un nome simbolico; un insieme di attributi. Un file in UNIX può contenere dati o programmi (file ordinario) contenere riferimenti ad altri file (directory) rappresentare l astrazione di un dispositivo periferico (file speciale) -3-

4 File (ii) Nome: nome simbolico univoco nella directory con cui ci si riferisce ad esso Attributi: Tipo: definisce il tipo dei dati contenuti (estensione del nome, opzionale) Locazione (implicito): è un riferimento alla posizione fisica sul dispositivo Dimensione: dimensione dei dati contenuti espressa in byte o blocchi Protezione: definisce le politiche di gestione degli accessi Ora e Data: indicano il momento della creazione, ultima modifica o ultimo accesso Proprietario: indica il nome dell utente che ha creato il file -4-

5 Gestione del file system L immagine del file system è memorizzata in memoria di massa attraverso il concetto di volume. Un volume è composto da una sequenza di blocchi di dimensione fissa (512Byte). Per rendere più efficienti gli accessi a file, il Sistema Operativo mantiene in memoria centrale una parte delle strutture dati per la gestione dei file. Tra queste vedremo: Tabella dei file aperti per ogni processo Contiene un elemento per ogni file aperto da un certo processo. L indice della tabella è costituita dal file descriptor. Tabella globale dei file aperti nel sistema Contiene un elemento per ogni file aperto nel sistema. Ogni elemento viene referenziato tramite gli elementi delle tabelle dei file aperti dei processi e contiene, tra le altre, l indicatore di posizione corrente (offset) nel file, il numero di link al file e un riferimento al file su disco -5-

6 Primitive per la gestione dei file (1) Sui file possono essere compiute diverse operazioni, che vengono svolte attraverso richieste di servizi al sistema operativo (system call), invocabili anche da programma: creat, open, close, write, read, Per operare su un file è necessario: aprirlo, se il file esiste già crearlo (cioè aggiungerlo al file system), se il file non esiste Le funzioni di apertura e creazione richiedono come parametro il nome del file e restituiscono un intero non negativo chiamato descrittore del file (fd file descriptor) Le funzioni di lettura e scrittura, e altre ancora, usano come riferimento il descrittore e operano su sequenze di byte a partire da un byte specifico, la cui posizione è contenuta dall indicatore di posizione corrente nel file (offset nel file) -6-

7 Primitive per la gestione dei file (2) Creazione di un file: fd = creat(file_name, mode); Apertura di un file: fd = open(file_name, O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR, mode) Chiusura di un file aperto: close(fd) Scrittura di dati in un file già creato/aperto: write(fd, buf, num_byte); Lettura dati da un file già creato/aperto: read(fd, buf, num_byte); Riposizionamento all interno del file: new_offset = lseek(fd, offset, base); Duplicazione di un descrittore di un file: fd2=dup(fd1); Creazione di un nuovo riferimento (link) ad un file: link(old_file_name, new_file_name); Eliminazione di un link: unlink(nome_file); Creazione di un file speciale: mknod (pathname, type, major, minor) -7-

8 Funzioni del linguaggio C per la gestione dei file Il linguaggio C dispone di una libreria standard di ingresso e uscita, che definisce le funzioni C per le operazioni sui file: fopen, fread, fwrite, fclose, fputs, fgets, ecc. In linguaggio C il riferimento a file è dato da un puntatore file * file_pointer Le funzioni C usano il file pointer e invocano i servizi messi a disposizione dal sistema operativo Le implementazioni delle funzioni C su un certo Sistema Operativo definiscono le modalità di chiamata dei servizi di Sistema Operativo (primitive o System Call) e il legame tra il file pointer e il file descriptor. Attenzione: fopen e simili possono avere comportamenti differenti da un sistema operativo ad un altro (ad es. Unix System V e Linux Red Hat 7.2). -8-

9 Organizzazione del file system

10 Strutturazione gerarchica del file system Un file system è organizzato in: Partizioni: contengono insiemi di file correlati Directory: una partizione è suddivisa in directory. Le directory contengono informazioni sui file o directory in esse contenuti e fungono da indice. Root Directory: directory accessibile direttamente e autonomamente dal file system File (ordinari): contengono effettivamente i dati o i programmi Pathname assoluto (nome completo di un file): è il nome (percorso) ottenuto concatenando tutti i nomi delle directory che devono essere percorsi dalla root fino al file. Es: /usr/nome_file Pathname relativo: è il nome del file nella directory a cui appartiene. Es: nome_file -10-

11 Directory Le directory sono dei file (d) e quindi sono caratterizzati da nome e diritti d accesso Contengono informazioni sui file e directory in esse contenuti (nome, attributi, proprietario) Forniscono una corrispondenza tra nomi di file/directory e file/directory stessi su disco. Il contenuto di una directory può essere visto come una tabella, con una entry per ogni file/directory in essa contenuto. Ogni entry è del tipo: <nome_file/nome_dir, riferimento> -11-

12 Contenuto di una directory Nome_file/ Nome_directory Riferimento: (i-node) posizione file/dir su disco. (direttorio corrente) 3.. (direttorio padre) 2 usr 4 nome_file_1 7 nome_file_

13 Operazioni su directory Sulle directory, così come sui file, è possibile compiere alcune operazioni: Ricerca di un file: Sulla base di un nome o una espressione regolare consente di recuperare le informazioni su uno o più file Creazione di un file: Alla directory viene aggiunto un nuovo file Rimozione di un file: Eliminazione di un descrittore di file. Il descrittore deve essere prima individuato tramite una operazione di ricerca Elenco dei file: Produce l elenco dei nomi ed eventualmente altre informazioni relative ai file memorizzati Rinomina di un file: Modifica il nome di un file già presente nella directory. Il descrittore deve essere prima individuato tramite una operazione di ricerca. Copia di un file Per creare una nuova directory si usa la funzione mkdir ( ) -13-

14 Organizzazione delle directory Tutti i file sono contenuti in una sola directory Struttura molto semplice ma presenta alcuni problemi (unicità dei nomi, ricerca inefficiente, accesso indifferenziato per tutti gli utenti) Directory su due livelli Directory principale: (root) contiene un elenco di directory, uno per ogni utente Directory utente: contiene i file di un singolo utente (home). I singoli utenti vedono e gestiscono solo i file nella propria directory home La gestione della root è affidata ad un amministratore del sistema (root, administrator, superuser). -14-

15 Organizzazione a due livelli Quando un utente richiede l accesso ad un file, il file system ne cerca il nome nella home dell utente. Per accedere ai file di altri utenti si utilizza il path name cioè la composizione del nome dell utente e del nome del file. Spesso gli applicativi sono accessibili a tutti gli utenti e memorizzati in una directory specifica (bin). I file vengono prima cercati nella directory dell utente quindi, se la ricerca fallisce, nella directory degli applicativi bin mike bill john gcc tcsh emacs test data foo gnu data -15-

16 Directory ad albero Estensione del caso precedente ad un numero arbitrario di livelli Un utente accede ai file attraverso il pathname (assoluto o relativo) Per semplificare l accesso ai file viene definito il concetto di current working directory (cwd) cioè di directory corrente I file vengono cercati nella directory corrente. Se un file non è nella directory corrente: Si usa il suo path name assoluto Si cambia la directory corrente Il sistema operativo offre alcuni comandi per gestire la cwd: cd <dir>: Change Directory. La directory dir diviene la cwd pwd: Print Working Directory. Mostra il nome della cwd -16-

17 Esempio di directory ad albero bin mike bill jhon gcc tcsh test data foo gnu data aax data type mary work her mom much -17-

18 Periferiche e file speciali In Unix le periferiche sono viste come file speciali, contenute nella directory /dev. Sulle periferiche è possibile eseguire operazioni come open, read e write (purché abbia senso), close ma non si può usare creat. Per creare un nuovo file speciale si usa la funzione mknod ( ) Ogni programma, all esecuzione, dispone già di 3 descrittori di file: stdin (0), stdout (1), stderr (2) associati rispettivamente alla tastiera (0) e al video (1) e (2). I descrittori standard possono essere ridiretti su altri file. Ad esempio: close (1); /* chiude lo standard output e libera il descrittore 1 */ fd = open (./outputfile, O_WRONLY); /* il descrittore 1 viene associato a ouputfile, quindi ogni operazione su 1 viene eseguita su outputfile */ -18-

19 Protezione e diritti di accesso

20 Protezione e diritti d accesso I dati memorizzati nei file di un file system necessitano di protezione da accessi impropri (riservatezza, modifica o eliminazione accidentale di dati importanti) Definizione di una politica di accesso e relativa implementazione Alcune banali politiche di accesso sono: Ogni utente accede solo ai propri file Ogni utente accede a tutti i file Accesso controllato: si definiscono regole di accesso ai file sulla base di: l identità degli utenti e del gruppo di lavoro dell utente la proprietà dei file il tipo di operazione richiesta: lettura, scrittura, esecuzione, eliminazione, ecc. -20-

21 Protezione: Liste di accesso L accesso e le operazioni consentite dipendono dall identità dell utente Ad ogni file è associata una lista di accesso che indica quali operazioni sono consentite a quali utenti Quando un operazione viene richiesta il sistema operativo controlla la lista di accesso per verificare se: il richiedente è previsto; il richiedente ha il permesso di compiere quel tipo di operazione. Questa soluzione presenta alcuni svantaggi: le liste di accesso possono essere di dimensioni notevoli; le liste devono essere create e mantenute per ogni file; il tempo di accesso ad un file si allunga. -21-

22 Protezione: UNIX (i) UNIX adotta una soluzione semplificata delle liste di accesso Gli utenti sono identificati in base a: Username: Identificativo dell utente Group: Identificativo di gruppo, condiviso da più utenti Gli utenti sono raggruppati in tre classi: Owner: Solo il proprietario del file Group: Solo i membri del gruppo del proprietario del file All: Tutti gli utenti -22-

23 Protezione: UNIX (ii) Le operazioni su file sono raggruppate in tre classi: Read: Lettura, copia Write: Scrittura, modifica, eliminazione Execute: Esecuzione Ad ogni file sono associati: Owner Group Control access list -23-

24 Protezione: UNIX (iii) La control access list è formata da tre gruppi di bit: Ogni gruppo di bit si riferisce ad una delle tre classi di utenti (owner, group, all) Ogni bit del gruppo si riferisce ad una delle tre operazioni (rwx) owner group all rwx rwx rwx execute write read owner group all rwx rwx rwx

25 Organizzazione logica e fisica del file system

26 Mapping del file system logico sul dispositivo fisico Il file system svolge le sue funzioni accedendo ai dispositivi fisici (dischi) tramite l invocazione di routine messe a disposizione dal gestore del disco (disk driver) Il driver del disco fornisce una interfaccia di accesso ai dati su disco nascondendone le caratteristiche fisiche Il disco, a livello di file system, è rappresentato da un dispositivo logico, chiamato volume composto da un array di blocchi Il blocco è una porzione di disco costituita da un numero intero di byte che viene trasferita in memoria con un unica operazione -26-

27 Struttura del dispositivo fisico: tracce e settori Traccia (track): sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione completa: la larghezza di una traccia dipende dalla dimensione della testina e dall accuratezza con cui la si può posizionare; la densità radiale va da 800 a 2000 tracce per centimetro (5-10 µm per traccia); tra una traccia e l altra c è un piccolo spazio di separazione (gap). Settore (sector): parte di una traccia corrispondente a un settore circolare del disco: un settore contiene 512 byte di dati, preceduti da un preambolo, e seguiti da un codice di correzione degli errori; la densità lineare è di circa kbit per cm ( µm per bit); tra settori consecutivi si trova un piccolo spazio (intersector gap). Formattazione: operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura. -27-

28 Spazi tra tracce Settore Tracce Spazi tra record -28-

29 Superficie 7 Testina di lettura/scrittura (una per superficie) Superficie 6 Superficie 5 Superficie 4 Superficie 3 Superficie 2 Superficie 1 Superficie 0 Direzione del movimento Le tracce in grigio formano un cilindro -29-

30 Prestazioni dei dischi Tempo di acceso (ms o 10-3 s) Seek time la testina deve arrivare alla traccia giusta; dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce adiacenti). Latency il disco deve ruotare fino a portare il dato nella posizione giusta; dipende dalla velocità di rotazione ( RPM ms). Transfer Rate (MBps) Velocità di trasferimento del disco dipende dalla densità di registrazione e dalla velocità di rotazione; un settore di 512 byte richiede fra 25 e 100 µsec (5-20 MB/sec). Velocità di trasferimento del sistema di controllo SCSI vs. EIDE -30-

31 Struttura del dispositivo logico: Volume UNIX gestisce i file system a livello logico considerandoli come dispositivi logici (volumi) identificati da un numero Il volume è composto da una sequenza di blocchi logici (vettore di blocchi), di dimensioni fisse pari a un multiplo di 512 byte (configurabile a livello di sistema). La conversione tra indirizzi del dispositivo logico (volumi e blocchi) e indirizzi fisici (tracce e settori) è realizzata dal driver del disco. Ogni volume è autonomo e contiene il proprio file system Ogni volume viene visto come device logico -31-

32 Blocco di un volume Il blocco è l unità di informazione trasferita con un solo accesso a disco, quindi è un multiplo del settore. In generale, la dimensione di un blocco è pari a 512 Byte. Un blocco può essere letto o scritto in una zona di memoria centrale di pari dimensione (buffer) Il gestore dei buffer (buffer cache - parte del gestore della memoria virtuale) gestisce le aree di buffer cercando di minimizzare le letture multiple a disco Quando il file system richiede la lettura di un blocco interagisce con il gestore dei buffer che, a sua volta, può interagire con il disk driver -32-

33 Struttura logica di un file Il file è visto dal file system come una sequenza di blocchi logici numerati in sequenza a partire dal Blocco 0 all interno del file Le operazioni read, write etc. fanno riferimento alla posizione corrente nel file (offset del byte nel file) Ad esempio: ricerca del byte 520 (posizione corrente nel file): Blocco = 520 div 512 Blocco 1 Offset nel blocco = 520 % 512 (resto della divisione) Offset 8 Offset =8 Blocco 0 Blocco 1 Blocco

34 Tecnica di allocazione dei blocchi logici di un file nel volume File Posizione corrente: 520 Byte 520 Blocchi del File Blocco 0 del file Byte 8 Blocco 1 del file Blocco 2 del file La corrispondenza tra i blocchi logici di un file e i blocchi del volume in cui viene memorizzato dipende dalla tecnica di allocazione Blocchi del volume Volume Offset del byte nel volume -34-

35 Tecnica di allocazione: UNIX i-node Un volume contiene l immagine del file system ad esso associato. Il sistema operativo UNIX utilizza lo schema di allocazione indicizzata combinata dei blocchi logici dei file sui blocchi del volume La tecnica è realizzata mediante una lista (i-list) i cui elementi sono chiamati i-node (index-node). Ogni i-node contiene la lista degli attributi e degli indirizzi dei blocchi fisici del disco a cui sono associati i blocchi logici del file. Dato il numero dell inode (i-number) si può localizzare la posizione del file/dir calcolandone l indirizzo su disco Un file esiste nel file system se esiste il corrispondente i-node nella i-list. La lista degli i-node ha dimensione prefissata in fase di configurazione del sistema operativo (quindi i numero massimo di i-node che possono essere creati in un volume risulta prefissato). -35-

36 Struttura di un volume (1) Blocco di boot Super block Lista i-node Blocchi dati Un volume è suddiviso in 4 aree distinte: 1. Blocco 0 o blocco di boostrap: contenuto tipicamente nel primo settore del disco, contiene il codice di inizializzazione del sistema operativo (altrimenti è comunque allocato ma non utilizzato) 2. Blocco 1 o Superblock: contiene le informazioni globali del file system (es. dimensione del volume, numero di blocchi liberi nel volume, ecc.) 3. Lista degli i-node: Ogni elemento della lista è un i-node che contiene la lista degli indirizzi dei blocchi dati del file su disco 4. Blocchi di dati: blocchi che contengono il contenuto dei file e dei direttori. Nel caso di una directory, il corrispondente blocco contiene una tabella con la lista di file/direttori in essa contenuti rappresentati dalla coppia < nome_file/nome_dir, i_node > -36-

37 Struttura di un volume (2) Ogni file ordinario, directory o file speciale ha associato un i-node i-node: struttura contenente 64 byte di informazioni Gli i-node dei file in un disco sono memorizzati in sequenza numerica e costituiscono la i-list (lista degli i-node). Ogni i-node è accessibile attraverso l indice (i-number) relativo alla sua posizione all interno della i-list. In una directory, i file/directory contenuti sono rappresentati da una tabella le cui entry sono costituite dalla coppia: <nome_file nome_dir, i_node > -37-

38 Esempio (1) bin pwd Il contenuto di una directory può essere visto come una tabella con una entry per ogni file/directory in essa contenuto: <nome_file nome_dir, i_node > cwd root usr f1 f2 sub_dir f4 f5 /usr f1 10 f2 20 sub_dir 40 /usr/sub_dir f f

39 Esempio (2) 10 (file1) blk 910 blk 1040 Blocco di boot Super block Conte nuto file1 Conti nuaz. file1 Lista i-node Blocchi dati Esempio: file1 (associato a i-node 10) costituito da 2 blocchi (910 e 1040) -39-

40 Esempio (3) 6 (/usr) 10 (file1) blk 800 blk 910 blk 1040 Blocco di boot Super block F1 10 Conte nuto file1 Conti nuaz. file1 Lista i-node Blocchi dati Esempio: Directory /usr (associata a i-node 6) contenente file1 (associato a i-node 10) costituito da 2 blocchi (910 e 1040) -40-

41 Informazioni contenute nell i-node (64Byte) Tipo di file: d directory, b file speciale per device a blocchi (es. disco), c file speciale per device a caratteri Proprietario del file (owner) e gruppo (group) del proprietario Bit di protezione: Control Access List (9 rwx) Numero di link (# riferimenti) al file fisico cioè allo stesso i-node (rappresenta il numero di riferimenti allo stesso file fisico condiviso da parte di più nomi simbolici creati con la primitiva link). Dimensione del file in blocchi (se file ordinario o direttorio) e dimensione del blocco Puntatori ai blocchi dell area dati: 13 indirizzi che referenziano in modo diretto o indiretto i blocchi dati contenenti il file su disco. (Non sono significativi nel caso di file speciale) Data e ora in cui il file è stato letto e scritto per l ultima volta (ultimo accesso) Data e ora dell ultima modifica dell i-node -41-

42 Allocazione indicizzata negli UNIX i-node I primi 10 indirizzi su disco rappresentano direttamente i puntatori ai blocchi del file su disco (Indirizzamento diretto di 10 blocchi). Per file di dimensioni maggiori, l i-node contiene l indirizzo di un blocco del disco chiamato single indirect block (11) che a sua volta contiene altri 128 indirizzi di blocchi del disco (Nota: 1 blocco da 512Byte può contenere 128 indirizzi da 4Byte ciascuno) (Indirizzamento indiretto di 128 blocchi) Se questo non è sufficiente, l i-node mette a disposizione un altro indirizzo, chiamato double indirect block (12) che contiene l indirizzo di un blocco che a sua volta contiene una lista di 128 single indirect block. Ognuno di questi blocchi punta a sua volta a 128 single indirect block (in pratica si realizza un doppio livello di indicizzazione cioè un indirizzamento indiretto doppio di 128x128 blocchi) Esiste anche un triple indirect block (13) nel caso la doppia indicizzazione non sia sufficiente e sia necessario un terzo livello di indicizzazione: Indirizzamento indiretto triplo di 128 x 128 x 128 blocchi -42-

43 Rappresentazione dell i-node i-node Mode Owner, group Timestamp Size Number of blocks Number of references Data Data Data Data Data Data Direct blocks (10) Data Data Data Single indirect blocks Double indirect blocks Triple indirect blocks Data Data Data -43- Data

44 Contenuto del superblock Il superblock contiene le informazioni necessarie a creare o eliminare un file, ad aggiungere o togliere blocchi a un file esistente: dimensione del volume; numero di blocchi liberi nel volume; (parte iniziale della) lista dei blocchi liberi (free-list); numero di elementi della lista dei blocchi liberi (free-list); numero di elementi della lista degli i-node (i-list); numero di i-node liberi (free i-nodes) ; lista degli i-node liberi (free i-node list); altre informazioni ausiliarie. -44-

45 Gestione dello spazio libero (1) Al momento della creazione del file system da associare ad un volume (mkfs) viene allocata la lista (i-list) di dimensione fissa contenente gli i-node. La lista degli i-node (i-list) è costituita da una sequenza di i-node utilizzati e i-node liberi (tipo di file =0) Le posizioni degli i-node liberi sono riportate nella free i-node list contenuta nel superblocco. La lista dei blocchi liberi (free list) è una lista concatenata di blocchi liberi. La parte iniziale della free list è contenuta nel superblocco. -45-

46 Gestione dello spazio libero (2) All atto della creazione e scrittura di un file è necessario individuare sul disco il primo blocco libero da allocare al file UNIX utilizza una lista concatenata di blocchi liberi free list (in genere il primo elemento della lista punta ad un altra lista ) lista dei blocchi liberi (parte contenuta nel superblock) lista dei blocchi liberi (parte contenuta nel blocco 180) 240 lista dei blocchi liberi (parte contenuta nel blocco 240)

47 Strutture dati per la gestione del file system

48 Strutture dati del file system (1) Per la gestione efficiente del file system, il sistema operativo dispone di tre tabelle residenti in memoria centrale : Tabella dei descrittori dei file aperti per processo Esiste una tabella per ogni processo attivo nel sistema Tabella globale dei file aperti Tabella globale del sistema operativo che contiene una riga per ogni file aperto nel sistema; Ogni elemento viene referenziato tramite gli elementi delle tabelle dei file aperti per processo Tabella degli i-node (detti anche in-core i-node) Tabella globale del sistema contenente una copia in memoria degli i- node del volume relativi a file e directory aperte per maggiore efficienza nei riferimenti. -48-

49 Tabella dei descrittori dei file aperti per processo Tabella associata ad ogni processo utente e costituita da un elemento (riga) per ogni file aperto dal processo Indice della tabella = descrittore del file (fd) Per convenzione, per ogni processo vengono aperti automaticamente 3 descrittori di file associati ai primi tre elementi della tabella: stdin (0), stdout (1), stderr (2) associati rispettivamente alla tastiera (0) e al video (1 e 2) Ogni entry (riga) della tabella contiene un puntatore o indice della riga della tabella globale dei file aperti relativa al file fd1 0 stdin 1 stdout 2 stderr 3-49-

50 Tabella globale dei file aperti Indice della tabella = Puntatore/i proveniente/i dalle tabelle dei descrittori dei file aperti dei processi Ogni entry(riga) della tabella contiene: Offset nel file: Indicatore della posizione corrente nel file da usare per il prossimo accesso. Valore calcolato come numero di byte dall origine del file Modalità di apertura del file (READ WRITE RW) Numero di riferimenti da parte dei processi a questo file condiviso Puntatore o indice al corrispondente i-node nella tabella degli i- node -50-

51 Tabella degli i-node Tabella globale del sistema contenente una copia in memoria degli i-node (detti anche in-core i-node) del volume per maggiore efficienza nell accesso ai file aperti Ogni entry (riga) della tabella contiene una copia in memoria degli i-node statici presenti su disco nella i-list. Ogni entry (riga) della tabella contiene anche il contatore al Numero di riferimenti che indica il numero di istanze del file che sono attivi Oltre alla copia delle informazioni presenti nel corrispondente i-node statico, sono presenti informazioni riguardanti lo stato dell i-node. Es.: se ci sono processi in attesa di accedere all i-node, se i-node è stato modificato e deve quindi essere riscritto su disco, se il contenuto del file è stato modificato e quindi i suoi blocchi devono essere scritti su disco. -51-

52 Esempio (1): P0 apre il file F (fd1) e il file G (fd2) Tabella dei descrittori di file aperti per processo P0 Tabella globale dei file aperti Tabella degli i-node fd1 10 /usr/f1 fd2 20 /usr/f2 Processo P0: fd1 = open( /usr/f1 ); fd2 = open( /usr/f2 ); -52-

53 Esempio (2): Apertura dello stesso file da parte di più processi Per uno stesso file vengono allocati tanti elementi (righe) nelle due tabelle (privata e globale) quante sono le volte che il file viene aperto (dallo stesso processo oppure da altri processi) che convergono ad uno stesso in-core i- node. Nel caso di apertura dello stesso file da parte di 2 processi vengono allocati 2 elementi nelle 2 tabelle private e 2 elementi nella tabella globale. Notare che nella tabella globale i 2 elementi possono avere (offset, mode) con valori diversi Processo P0: fd1 = open ( /usr/f1 ); Processo P1: fd7 = open ( /usr/f1 ); -53-

54 Esempio (2): P0 apre il file F (fd1); P1 apre lo stesso file F (fd7) Tabella dei descrittori di file aperti per processo Processo P0 Tabella globale dei file aperti Tabella degli i-node #rif =2 fd1 #rif =1 10 /usr/f1 Processo P1 #rif =1 fd7-54-

55 Esempio (3): dup Nel caso di apertura di un file F da parte di un processo P0 e di duplicazione da parte dello stesso processo si ha che la dup: Duplica il descrittore del file cioè duplica la riga nella tabella privata che punta però allo stesso elemento nella tabella globale (con lo stesso offset nel file) Incrementa il contatore dei riferimenti al file nella tabella globale (ma non si incrementa il numero di riferimenti all i-node del file nella Tabella degli i-inode) Processo P0: fd1 = open( /usr/f1 ); fd3 = dup(fd1); -55-

56 Esempio (3): P0 apre il file F (fd1); P0 duplica il file F (fd3) Tabella dei descrittori di file aperti per processo Processo P0 Tabella globale dei file aperti Tabella degli i-node #rif =1 fd1 #rif =2 10 /usr/f1 fd3-56-

57 Esempio (4) P apre il file F; P esegue una fork, generando Q; Duplicazione della Tabella dei descrittori dei file aperti per processo Esiste una sola riga nella Tabella globale dei file aperti (con lo stesso offset e incrementando di 1 il numero di riferimenti al file) che punta allo stesso i-node del file R apre lo stesso file F Nuova entry (riga) nella Tabella dei file aperti di R e nuova entry (riga) nella Tabella globale dei file aperti (con un nuovo offset e nuovo numero di rif. al file pari a 1) che punta allo stesso i-node del file (incrementando il numero di riferimenti all i-node nella Tabella degli i-node) -57-

58 Esempio (4) Indicatore posizione corrente Numero di riferimenti P #rif =2 #rif =2 i-node F Q #rif =1 R Tabella globale file aperti Tabella degli i-node -58-

59 Condivisione di file aperti da parte di più processi Punto fondamentale della gestione tramite Tabella globale dei file aperti consiste nel permettere ad un processo padre e figlio di condividere la stessa posizione (offset) nel file e di permettere ad altri processi di condividere un file aperto avendo una loro posizione (offset) nel file condiviso. -59-

60 Esempio (5) P apre il file F; P esegue una dup; P esegue una fork, generando Q; R apre lo stesso file F. -60-

61 Esempio (5) Indicatore posizione corrente Numero di riferimenti P #rif =4 #rif =2 i-node F Q #rif =1 R Tabella globale file aperti Tabella degli i-node -61-

62 Primitive per la gestione dei file

63 Creazione - creat() Descrizione: Creazione di un file ordinario: Viene aggiunto un nuovo file al file system e restituisce un intero che rappresenta il file descriptor da usare in una seguente chiamata di sistema (read, write, lseek, ) Prototipo: int creat(const char *file_name, mode_t mode); mode: gestisce modalità di accesso per la configurazione dei bit di protezione. Utilizzo (sintassi della chiamata): fd = creat(file_name, mode); fd: file descriptor o descrittore del file da usare in una successiva chiamata Se file_name corrisponde ad un file già esistente il contenuto del file viene cancellato e la dimensione del file diventa nulla. Nota: per la creazione di un file speciale si usa mknod e per la creazione di una directory si usa mkdir. -63-

64 Apertura - open() Descrizione: Apertura di un file ordinario: Sulla base del nome del file individua la posizione del file su disco e restituisce un intero che rappresenta il file descriptor da usare in una seguente chiamata di sistema (read, write, lseek, ) Prototipo: int open(const char *file_name, int flags, mode_t mode); flags: tipo o modalità di apertura del file: O_RDONLY lettura, O_WRONLY scrittura, O_RDWR lettura e scrittura mode: gestisce i permessi di accesso per la configurazione dei bit di protezione. Utilizzo: fd = open(file_name, O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR, mode); fd: file descriptor o descrittore del file -64-

65 Scrittura - write ( ) Descrizione: Aggiunge dati ad un file già creato/aperto. Per scrivere dati su un file è necessario fornire descrittore (ottenuto tramite open / creat) e un puntatore ai dati da scrivere. Restituisce il numero di caratteri effettivamente scritti alla fine dell esecuzione della primitiva (ritorna -1 in caso di errore). Prototipo: int write(int fd, char buffer[ ], int num_byte); Utilizzo: byte_scritti = write(fd, buf, num_byte); byte_scritti: restituisce il numero di caratteri effettivamente scritti. fd: file descriptor o descrittore del file buf: indirizzo dell area contenente i dati da scrivere nel file num_byte: numero byte da scrivere Il file system mantiene un indicatore alla posizione (offset) nel file in cui deve essere effettuata la lettura/scrittura successiva. -65-

66 Lettura - read( ) Descrizione: Preleva dati da un file già creato/aperto. Per leggere dati su un file è necessario fornire il descrittore (ottenuto tramite open / creat) e un puntatore ai dati da leggere. Restituisce il numero di caratteri effettivamente letti alla fine dell esecuzione della primitiva (ritorna -1 in caso di errore). Prototipo: int read(int fd, char buffer[ ], int num_byte); Utilizzo: byte_letti = read(fd, buf, num_byte); byte_letti: restituisce il numero di caratteri effettivamente letti. fd: file descriptor o descrittore del file buf: indirizzo dell area dati del processo destinata a contenente i dati letti num_byte: numero byte da leggere Il file system mantiene un indicatore alla posizione (offset) nel file in cui deve essere effettuata la lettura/scrittura successiva. -66-

67 Riposizionamento - lseek ( ) Descrizione: Riposiziona l indicatore di lettura / scrittura di un file aperto (cioè riposiziona la posizione corrente nel file detta anche offset nel file). Prototipo: long lseek(int fd, long offset, int base); modifica la posizione corrente nel file fd e la restituisce come long int. La nuova posizione corrente nel file new_offset viene calcolata sommando all argomento offset il valore di base dove: base = 0: inizio file base = 1: posizione corrente nel file base = 2: fine file Utilizzo: new_offset = lseek(fd, offset, base); In pratica permette l accesso alla posizione new_offset nel file fd ottenuta sommando all argomento offset il valore di base Esempi: lseek(fd, 0L, 1): restituisce la posizione corrente - senza modificarla; lseek(fd, 0L, 0): riposiziona all inizio del file; lseek(fd, 0L, 2): riposiziona alla fine del file. -67-

68 Duplicazione - dup( ) Descrizione: Duplicazione di un descrittore associato ad un file già aperto. In pratica si aggiunge una nuova riga nella tabella dei file aperti da quel processo che punta allo stesso file aperto nella tabella globale. Prototipo: Utilizzo: int dup(int old_fd); fd1=open( ); fd2=dup(fd1); la posizione corrente nel file (offset) è comunque la stessa per i due o più descrittori (esiste una sola riga nella tabella globale dei file aperti) e si incrementa il numero dei riferimenti al file nella tabella globale (non si incrementa il numero dei riferimenti all i-node del file nella tabella degli i-node). -68-

69 Chiusura - close( ) Descrizione: Chiude un descrittore di file aperto cioè elimina il descrittore dalla tabella dei file aperti dal processo. Decrementa il numero di riferimenti al file nella tabella globale, e solo se non vi sono altri riferimenti, elimina l elemento (riga) dalla tabella globale dei file aperti e il corrispondente puntatore alla tabella degli i-node. Nota: L i-node del file rimane allocato nella Tabella degli i-node perché potrebbero esserci altri riferimenti all i-node da parte di altri processi o da parte di altri link simbolici e in generale per sfruttare il principio di località temporale degli accessi. Prototipo: int close(int fd) fd : descrittore di un file aperto precedentemente Restituisce un intero che rappresenta l esito dell operazione di chiusura: 0 = successo nella chiusura -1 = errore di chiusura Utilizzo: close(fd) -69-

70 Ridenominazione - link ( ) Descrizione: Per associare un nuovo nome ad un file già esistente (il contenuto dei 2 file è condiviso e anche l i-number dei due file è condiviso). Crea una nuova entry nella directory che contiene il file. Non crea un nuovo descrittore, ma incrementa di uno il numero di link a quel file nell i-node del file presente nella i-list ed eventualmente presente nella Tabella degli i- node in memoria Prototipo: int link(char *nome_file, char *nuovo_nome_file); Restituisce un intero che rappresenta l esito dell operazione. Utilizzo: link(old_file_name, new_file_name); Nota: La primitiva link consente di associare un nuovo nome ad un file già esistente (i-number e contenuto dei 2 file è condiviso) mentre per copiare un file esistente si deve usare il comando cp che richiede l allocazione di un nuovo file e del relativo i-node -70-

71 Unlink - unlink ( ) Descrizione: Per interrompere il link creato tra 2 file cioè eliminare un riferimento (link) ad un file specificato tramite nome (e decrementa di uno il numero di riferimenti al file nel corrispondente i-node). Se esisteva un solo link al file, e nessun processo ha aperto il file, il numero dei link al file diventa 0 e il file in pratica viene eliminato dal file system in quanto diventa inaccessibile e i blocchi dati associati vengono rilasciati. In questo caso, le azioni necessarie sono: Deallocazione dell i-node del file dal file system che viene aggiunto alla free i-node list; Deallocazione dei blocchi dati sul dispositivo fisico che viene aggiunto alla lista dello spazio disponibile (free list). Se esisteva un solo link al file, ma almeno un processo ha aperto il file, la unlink verrà eseguita solo dopo che l ultimo descrittore associato al file è stato chiuso (close) Prototipo: Utilizzo: int unlink(char *nome_file); unlink(nome_file); -71-

72 Un esempio (i) /* Esempio di uso delle primitive LINUX di gestione dei file */ #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> void main() { int fd1; int i,pos; char c; /* apertura del file */ fd1=open("fileprova", O_RDWR); /* visualizza posizione corrente */ printf("\npos= %ld \n", lseek(fd1,0,1)); /* scrittura del file */ for (i=0; i<20;i++) { c=i + 65; /*caratteri ASCII a partire da A*/ write(fd1, &c, 1); printf("%c",c);} /* visualizza posizione corrente; riportala a 0 */ printf("\npos= %ld \n", lseek(fd1,0,1)); lseek(fd1,0,0); -72-

73 Un esempio (ii) /* lettura e visualizzazione del file */ for (i=0; i<20;i++) { read(fd1, &c, 1); printf("%c",c);} printf("\n"); /* posizionamento al byte 5 del file e stampa posiz.*/ printf("\npos= %ld\n", lseek(fd1,5,0)); /*lettura di 5 caratteri */ for (i=0; i<5;i++) { read(fd1, &c, 1); printf("%c",c);} printf("\n"); /*scrittura di 5 caratteri x*/ c= 'x'; for (i=0; i<5;i++) { write(fd1, &c, 1);} -73-

74 Un esempio (iii) } /* lettura del file dall'inizio */ lseek(fd1,0,0); for (i=0; i<20;i++) { read(fd1, &c, 1); printf("%c",c);} printf("\n"); /* chiusura file */ close(fd1); -74-

75 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system

76 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: open( ) open( ): la richiesta di apertura di un file al sistema operativo prevede le seguenti operazioni: Riserva una riga nella tabella globale dei file aperti e inizializza il contatore dei riferimenti e l offset nel file e aggiorna il puntatore alla tabella degli i-node. Riserva un riga nella tabella dei descrittori dei file aperti del processo e vi scrive l indice della riga della tabella globale dei file aperti L allocazione di un nuovo elemento nella tabella privata avviene cercando il primo posto libero Restituisce al processo il descrittore (fd) costituito dal numero della riga (indice del file) della tabella dei descrittori di file aperti per processo -76-

77 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: open( ) open( ): cont. Determina quale sia l i-node corrispondente al file il cui pathname è stato indicato nella richiesta e scrive il suo riferimento (puntatore) nella riga della tabella globale dei file aperti associata al file Per questa operazione il file system esegue una ricerca ordinata all interno delle directory del pathname. Per esaminare ogni directory (memorizzato in un blocco di dati del volume) è necessario accedere all i-node corrispondente presente nella tabella degli i-node (eventualmente ricopiato dalla i-list) e caricare in memoria il suo contenuto -77-

78 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: open( ) open ( ): cont. Ad esempio /dir1/file Ricerca dell i-node di root e caricamento in memoria dei blocchi che costituiscono root (generalmente, almeno l i-node di root è sempre caricato nella Tabella degli i-node in posizione prefissata) Ricerca nella tabella di root della entry di dir1 (<i-node, dir1>) per ricavare l i-node Ricerca dell i-node di dir1 e caricamento in memoria dei blocchi che costituiscono dir1 Ricerca in dir1 della entry di file (<i-node, file>) per ricavare l i-node del file Se i-node è già presente nella Tabella degli i-node (come in-core i-node) aggiorna il puntatore dalla Tabelle globale dei file aperti Se i-node NON è già presente nella Tabella degli i-node => Copia l i-node del file nella Tabella degli i-node (come in-core i-node) e aggiorna il puntatore dalla Tabella globale dei file aperti -78-

79 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: creat( ) creat( ): la richiesta di creazione di un file al sistema operativo prevede le seguenti operazioni: Verifica che esista un i-node libero Verifica che esistano dei blocchi liberi Riserva una riga nella tabella globale dei file aperti e inizializza il contatore dei riferimenti e l indicatore di posizione Riserva un riga nella tabella dei descrittori di file utente aperti del processo e vi scrive l indice della riga della tabella globale dei file aperti Restituisce al processo un descrittore costituito dal numero della riga della tabella dei descrittori di file utente aperti Alloca l i-node al file, inizializzando le informazioni in esso contenute e aggiorna le informazioni relative alla i-list Aggiorna il contenuto della directory che contiene il file Scrive nella riga della tabella globale dei file aperti associata al file il riferimento all i-node corrispondente al file -79-

80 dup( ): Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: dup( )e fork( ) si generano due descrittori nella medesima tabella dei file aperti da quel processo e che puntano allo stesso file Esiste una sola riga nella tabella globale dei file aperti (con la stessa posizione corrente nel file) che punta allo stesso i-node del file e si incrementa di 1 il numero di riferimenti nella Tabella globale dei file aperti. fork( ): Duplicazione delle tabelle dei file aperti per processo Esiste una sola riga nella tabella globale dei file aperti (con lo stesso offset del file e si incrementa di 1 il numero di processi che hanno il file aperto nella Tabella globale dei file aperti) che punta allo stesso i-node del file -80-

81 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: open( ) open( ) dello stesso file da parte di uno stesso processo: Si allocano 2 righe nella Tabella dei file per processo si allocano 2 righe nella tabella globale dei file aperti che puntano allo stesso i-node del file nella Tabella degli i-node (che avrà numero di riferimenti pari a 2) open( ) dello stesso file da parte di 2 processi: Si alloca 1 riga in ciascuna Tabella dei file per processo si allocano 2 righe nella tabella globale dei file aperti che puntano allo stesso i-node del file nella Tabella degli i-node (che avrà numero di riferimenti pari a 2) Ogni processo ha un proprio offset nel file -81-

82 Primitive per la gestione dei file e strutture dati del file system: read( ) write( ) close( ) read( ) o write( ): Deve essere fornito il descrittore del file che permette di seguire i puntatori nelle tre tabelle e tramite l i-node identificare i blocchi di dati del file. Si aggiorna l offset nella Tabella globale dei file aperti. close( ): Il sistema operativo libera la corrispondente riga nella tabella dei descrittori dei file aperti per processo Decrementa il contatore dei riferimenti nella tabella globale dei file aperti e se diventa zera, libera la riga nella tabella globale. -82-