Modulo 4: Gestore del File System (Memoria secondaria) Componenti

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1 Parte 3 Modulo 4: Gestore del File System (Memoria secondaria) Componenti Interfaccia utente Gestore dell I/O Gestore del File System Gestore dei Processi Gestore della Memoria Centrale *KERNEL Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

2 Gestore del File System Il gestore del file system è quel modulo del sistema operativo incaricato di gestire le informazioni memorizzate sui dispositivi di memoria secondaria DISCO e altri dispositivi di memoria di massa Il gestore del file system deve garantire: la correttezza la coerenza il recupero efficiente delle informazioni memorizzate Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.51 Si occupa di: Gestore del File System Associare un nome di file ad una parte dello spazio del disco Fornire metodi per accedere ai file Rendere trasparente la struttura fisica del disco Insieme di programmi per l organizzazione Logica Fornire all utente una visione logica dei file (che astrae dall organizzazione fisica) Fisica gestire i file nella memoria secondaria (dischi) e ottimizzare l utilizzo dello spazio disponibile Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

3 Organizzazione logica L utente deve poter organizzare le proprie informazioni in file e insiemi di file accedere ai dati identificare ogni file con un nome logico operare sui file (creare, eliminare, cambiare nome, modificare) proteggere i propri file (da accessi non desiderati) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.53 Organizzazione fisica Il Sistema Operativo deve: tener traccia dei file memorizzati e della loro posizione fisica sui dischi ottimizzare l utilizzo dello spazio su disco gestire le comunicazioni tra la memoria principale e la memoria secondaria (disco) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

4 Altre funzioni Nei sistemi multi-utente, il Sistema Operativo deve mettere a disposizione dei meccanismi di protezione in modo tale da consentire agli utenti di proteggere i propri dati dall accesso da parte di altri utenti non autorizzati Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.55 File Unica unità logica di informazione usata dal Sistema Operativo Fisicamente: Sequenza di byte che contiene informazioni omogenee Es., programma, testo, dati simili, Byte = 8 bit Tutti i dati vengono suddivisi in file I file vengono memorizzati nelle memorie di massa Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

5 File Un insieme di informazioni (dati, documenti) memorizzate su supporti di memoria secondaria sotto forma di una sequenza di bit, byte, record logici, record fisici file Disco Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.57 Tipo di file Ogni file è composto tipicamente da: Nome: stringa arbitraria decisa dall utente Estensione: insieme i (fissato) di caratteri che definiscono il TIPO di un file Esempi file.doc file.zip file.wav file.txt file.gif file.mpeg file.jpg file.xls file.pdf file.exe file.ppt file.mp3 Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

6 Creazione Apertura Chiusura Cancellazione Copia Rinomina Visualizzazione Lettura Scrittura Modifica Operazioni su file Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.59 Operazioni sui file Nuovo: crea una nuova istanza di file Apri: localizza un file sul disco e lo apre Chiudi: termina l elaborazione dell istanza corrente dell informazione e chiude la finestra, ma tiene il programma aperto per elaborare altre istanze Salva: scrive l istanza corrente sul disco, usando lo stesso nome e la stessa posizione Salva come: scrive l istanza corrente sul disco con un nuovo nome e/o una posizione differente Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

7 Nuova istanza di file Il comando Nuovo crea una istanza vuota Cos è una informazione vuota? l informazione è suddivisa in tipi basati su caratteristiche. Es., le fotografie digitali sono un tipo di informazione; la lunghezza e la larghezza sono due delle sue proprietà i documenti di testo sono un tipo di informazione; il numero di caratteri è una delle sue proprietà Un istanza vuota è una struttura vuota, senza alcuna caratteristica se non per quanto riguarda il formato Istanza di una rubrica Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.61 Organizzazione di più file: directory Quasi tutti i sistemi operativi utilizzano un organizzazione gerarchica del File System L elemento utilizzato per raggruppare più file insieme è la directory L insieme gerarchico delle directory e dei file può essere rappresentato attraverso una rappresentazione grafica: albero delle directory Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

8 Organizzazione dei file Possibilità di organizzare i file in Directory (dette anche Cartelle), ovvero come insiemi di: file altre directory Il tutto arricchito da un elenco dei contenuti Organizzazione gerarchica: logica o fisica? Organizzazione solo logica: non c è alcuna relazione con la posizione fisica dei file di una directory (cartella) sul disco Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.63 Organizzazione ad albero Albero rovesciato (come genealogico) Nodi e collegamenti padre-figlio tra nodi Nodo: file o directory Nodi divisi per livelli Collegamenti tra nodi di livelli vicini: nodo sopra = padre nodo sotto = figlio Ogni nodo ha un solo padre Padre più in alto = radice I nodi file non hanno figli Cammino assoluto o relativo (per file) directory file Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

9 Albero delle Directory Directory File Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.65 Operazioni su directory Organizzazione di file in strutture chiamate cartelle (directory) Creazione directory Eliminazione directory Elenco file di una directory Ricerca di un particolare file di tutti i file che soddisfano una particolare relazione Operazioni più complesse: backup, Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

10 Esempio: Albero delle directory in Unix La directory principale è "/" Lo stesso carattere / viene usato per separare i nomi delle directory Ad esempio /usr/bin/ indica la directory bin contenuta nella directory usr contenuta nella root (/) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.67 Path assoluto e relativo Un path assoluto avrà un simile aspetto: /usr/local/bin sarà funzionante in qualsiasi directory in cui ci si trova Un path relativo ha aspetto simile a local/bin indica directory diverse a seconda della directory in cui ci si trova In questo caso local/bin coincide con /usr/local/bin solo se ci si trova in /usr/ Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

11 Tipi di file system esistenti Nel corso della storia informatica è stata ideata una miriade di file system I sistemi operativi moderni sono spesso in grado di accedere a diversi file system, spesso semplicemente installando un apposito modulo o driver File system più diffusi: Fat NTFS Ext3 Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.69 FAT FAT - File Allocation Table E il file system primario per i sistemi operativi Microsoft Windows fino alla versione Windows ME Windows NT e le successive versioni hanno introdotto l'ntfs e mantenuto la compatibilità con la FAT File system piuttosto semplice da gestire adatto per dispositivi come memory card Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

12 NTFS NTFS - New Technology File System File system dei sistemi operativi basati su kernel NT Notevole passo avanti rispetto a FAT Principali caratteristiche: Affidabilità - sistema transazionale (o "Journaled ); questo vuol dire che se un'operazione è interrotta a metà (ad esempio per un blackout) viene persa solo quell'operazione ma non è compromessa l'integrità del file system il quale resta comunque leggibile dal computer. Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.71 NTFS Permessi e Controllo d'accesso - a ciascun file o cartella è possibile assegnare dei diritti di accesso (lettura, scrittura, modifica, cancellazione e altri) Nomi lunghi e Unicode - i nomi dei file e delle cartelle possono essere lunghi fino a 255 caratteri e possono contenere caratteri di tutte le lingue del mondo grazie alla codifica Unicode Dimensioni e Flessibilità La dimensione e il massimo numero di file sono praticamente illimitati; la dimensione massima di un singolo file è di 16 Terabytes, contro i 4 GigaBytes di FAT Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

13 Ext3 Extended File System 3 - diffuso su sistemi GNU/Linux introduce il journaling del file system. stem Il journaling, presente anche nelle ultime versioni di NTFS, è una caratteristica che permette di evitare che errori e malfunzionamenti hardware (o anche semplici spegnimenti del PC senza chiudere il sistema operativo) possano danneggiare i dati scritti sull'unità, creando un "diario" (journal) che elenca le modifiche da effettuare sul filesystem Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.73 Partizioni di un disco Un singolo hard disk può essere diviso in diverse partizioni, ciascuna delle quali funziona come se fosse un disco separato L'idea è che se avete un hard disk e si vogliono avere due sistemi operativi, si può suddividere il disco in due partizioni ciascun sistema operativo userà la sua partizione i come vuole e non toccherà quella dell'altro Senza le partizioni ci sarebbe voluto un disco per ciascun sistema operativo Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

14 Master Boot Record Le informazioni sul partizionamento di un hard disk si trovano nel suo primo settore (cioè, il primo settore della prima traccia della prima superficie del disco) Questo settore si chiama master boot record (MBR) del disco MBR è il settore che il BIOS legge ed avvia quando la macchina viene accesa Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.75 Master Boot Record Il master boot record contiene un piccolo programma che legge la tabella delle partizioni, controlla quale partizione è attiva (cioè quale è contrassegnata come avviabile) e legge il primo settore di quella partizione, il boot sector (settore di avvio) della partizione Anche l'mbr è un settore di avvio, ma ha uno status speciale e quindi un nome speciale Il boot sector contiene un altro programmino che legge la prima parte del sistema operativo contenuto in quella partizione (sempre che sia avviabile) e lo avvia Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

15 Parte 3 Modulo 5: Gestore dei processi Componenti Interfaccia utente Gestore dell I/O Gestore del File System Gestore dei Processi Gestore della Memoria Centrale *KERNEL Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

16 Gestore dei processi Un sistema operativo con supporto per il multitasking (multiprocessualità) permette di eseguire più programmi contemporaneamente SO in time sharing Permette la condivisione della CPU tra più processi Il tempo di esecuzione del processore è condiviso tra più processi / utenti Ogni processo in esecuzione ha a disposizione dei quanti di tempo della CPU Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.79 Time sharing Se viene chiesto al sistema di eseguire contemporaneamente due processi A e B, la CPU attuerà un meccanismo di time-sharing eseguirà per qualche istante il processo A, poi per qualche istante il processo B, poi tornerà ad eseguire il processo A e così via Il passaggio dal processo A al processo B e viceversa viene definito cambio di contesto (context switch) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

17 Scheduler Le decisioni riguardanti l'esecuzione di un cambio di contesto tra due programmi vengono intraprese da un componente del sistema operativo detto scheduler Lo scheduler controlla lo scheduling, ossia la ripartizione del tempo di CPU tra tutti i processi concorrenti (i processi attivi nello stesso momento sul calcolatore che si contendono l uso della CPU) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.81 Scheduling Lo scheduling è un'operazione molto importante per il corretto ed efficiente funzionamento del calcolatore Consente di eseguire più programmi concorrentemente Consente di migliorare l'utilizzo del processore Possibile uso di preemption (o pre-rilascio): operazione in cui un processo viene temporaneamente interrotto, con l'intenzione di ripristinarlo in un secondo momento, per dare spazio ad un altro processo a priorità più alta Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

18 Algoritmi di scheduling Esistono vari algoritmi di scheduling che tengono conto di varie esigenze e che possono essere più indicati in alcuni contesti piuttosto che in altri La scelta dell'algoritmo da usare dipende da cinque principali criteri: 1. Utilizzo del processore: la CPU deve essere attiva il più possibile (ovvero devono essere ridotti al minimo i possibili tempi morti) 2. Produttività (throughput): il numero di processi completati in una determinata quantità di tempo Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.83 Algoritmi di scheduling 3. Tempo di completamento: il tempo che intercorre tra la sottomissione di un processo ed il completamento della sua esecuzione 4. Tempo d'attesa: il tempo in cui un processo pronto per l'esecuzione rimane in attesa della CPU (wait time) 5. Tempo di risposta: il tempo che trascorre tra la sottomissione i del processo e l'ottenimento t della prima risposta Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

19 Criteri di ottimizzazione CRITERI da ottimizzare: Massimizzare l utilizzo del processore Massimizzare la produttività Minimizzare il tempo di completamento Minimizzare il tempo di attesa Minimizzare il tempo di risposta NOTA: generalmente si tende ad ottimizzare i valori medi Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.85 Round Robin L'algoritmo di scheduling RR (Round Robin) esegue i processi nell'ordine d'arrivo, ma esegue la preemption del processo in esecuzione, ponendolo alla fine della coda dei processi in attesa, qualora l'esecuzione duri più del quanto di tempo stabilito, e facendo proseguire l'esecuzione al successivo processo in attesa Assegna a turno un quanto di tempo di CPU ai processi in attesa Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

20 Esempio Ipotesi: i seguenti processi siano in coda con relativa durata in millisecondi, e quanto di tempo stabilito di 20 ms: p1 30 p2 15 p3 60 p4 45 p1 (20 ms, ne rimangono 10) p2 (termina la propria esecuzione perché dura meno di 20 ms) p3 (20 ms, ne rimangono 40) p4 (20 ms, ne rimangono 25) p1 1(termina perché necessitava di meno di 20 ms) p3 (20 ms, ne rimangono 20) p4 (20 ms, ne rimangono 5) p3 (termina perché necessitava di esattamente 20 ms) p4 (termina) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.87 Criterio di ottimizzazione Per valutare l algoritmo di scheduling facciamo riferimento al tempo medio di attesa Tempo di attesa = istante finale di esecuzione durata del processo p1 termina all istante 85, p2 a 35, p3 a 145, p4 a 150 Tempo medio di attesa: [(85-30)+(35-15)+(145-60)+(150-45)]/4 = 66,25 ms Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

21 Shortest Next Process First SNPF prevede che venga eseguito sempre il processo con il tempo di esecuzione più breve tra quelli in attesa Esempio: siano sottomessi contemporaneamente i seguenti processi, con la rispettiva durata di esecuzione in ms: p1 30 p2 15 p3 60 p4 45 I processi vengono eseguiti nel seguente ordine: p2 p1 p4 p3 p2 termina all istante 15, p1 a 45, p4 a 90, p3 a 150 [(15-15)+(45-30)+(90-45)+(150-60)]/4 = 37,5 ms Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.89 SNPF Si può dimostrare che questo algoritmo è ottimale, in quanto consente di ottenere sempre il valore più basso di tempo d'attesa medio Sfortunatamente non è possibile applicarlo, in quanto non è possibile conoscere anticipatamente quanto durerà l'esecuzione del processo Potrebbe essere possibile predirlo Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

22 Scheduling con priorità Una priorità (numero intero) è assegnata ad ogni processo La CPU è assegnata al processo con più alta priorità (es: il più piccolo intero = la più alta priorità) Preemptive Non preemptive Problema: Starvation i processi a più bassa priorità potrebbero non essere mai eseguiti Soluzione: Aging al trascorrere del tempo di attesa si incrementa la priorità di un processo che attende Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.91 Scheduling per multiprocessori Lo scheduling nei sistemi multiprocessore è più complesso Si possono avere processori omogenei (tutti uguali) o disomogenei (processori diversi) Problema del bilanciamento del carico (load balancing) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

23 Parte 3 Modulo 6: Gestore della memoria centrale Gestione della memoria centrale La gestione concorrente di molti processi comporta la presenza di molti programmi in memoria centrale la memoria centrale diventa una risorsa unica, in generale scarsa, da suddividere tra i vari programmi Il gestore della memoria applica tecniche per gestire il conflitto tra dimensione i della memoria fisica e spazio complessivamente richiesto dai programmi che devono essere gestiti in modo concorrente e dai relativi dati Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

24 Gestione della memoria centrale Strategia seguita: Mantenere in memoria soltanto una porzione dei programmi e dei dati (la porzione necessaria in quel momento) Alternare le porzioni dei programmi mantenute in memoria: i programmi (o le loro porzioni) possono essere caricati e scaricati dalla memoria centrale durante l esecuzione a seconda della necessità Due spazi di indirizzamento: Fisico: lo spazio di memoria centrale in cui risiede effettivamente il codice Logico: intervallo di celle contigue che partono dall indirizzo 0 in cui si immagina siano state collocate le istruzioni Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.95 Swapping Un modo tipico di ovviare a questo problema consiste nell abilitare il s.o. a trasferire il contenuto di un area della memoria centrale in un area della memoria di massa, detta area di swap Lo swapping viene applicato trasferendo su disco le informazioni relative ai processi in stato di attesa e pronti per l esecuzione Ok per quelli in attesa Quasi ok per quelli pronti Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

25 Paginazione Frammentazione della memoria in blocchi di dimensione prefissata detti pagine Lo spazio di indirizzamento logico del programma è suddiviso in sezioni, di dimensioni fisse e uguali tra loro, dette pagine logiche Lo spazio fisico di indirizzamento presente nel calcolatore l è anch esso diviso i in pagine fisiche, della stessa dimensione delle pagine logiche Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.97 Vantaggi Grazie alla paginazione è possibile: Estendere la dimensione di un processo utilizzando spazi di memoria non necessariamente contigui Tenere in memoria solo la porzione ridotta del programma che si sta utilizzando Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

26 Idea di base della paginazione Si basa sul concetto di località spaziotemporale Non vale la pena di caricare in memoria centrale tutto il codice di un programma perché l esecuzione in un dato istante si limita ad una porzione del codice stesso, che spesso viene rieseguita Pi Principio i i del l : il 10% del codice spesso copre il 90% dell esecuzione Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi 3.99 Meccanismo Vengono caricate in alcune pagine fisiche della memoria centrale solo alcune pagine logiche del programma in esecuzione Le pagine logiche necessarie vengono caricate di volta in volta in base all esigenza Quante pagine caricare e quante/quali pagine sostituire dipende dalla politica adottata Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

27 Memoria virtuale Sia nel caso della paginazione, sia in quello della segmentazione, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale La memoria virtuale v può essere maggiore di quella fisica p: è sufficiente allocare più pagine o segmenti di quelli che possono stare contemporaneamente in p (quelli non caricati in memoria centrale rimangono disponibili in memoria di massa dove i programmi con i relativi dati sono organizzati in file) Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi Conseguenza I programmi con dimensione s>p (spazio fisico di memoria centrale) possono essere eseguiti se s<v (spazio di memoria virtuale) In questo caso gli indirizzi di s sono riferiti a v quindi: il gestore della memoria converte gli indirizzi Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi

28 Processi e memoria La gestione della memoria deve essere coordinata con la gestione dei processi: le pagine di programma che sono attualmente in esecuzione o che contengono dati attualmente indirizzati devono risiedere in memoria centrale se una pagina necessaria ad un processo in esecuzione non si trovano in memoria centrale (page fault), il processo viene sospeso e passa in stato di attesa dopo l operazione di input da memoria di massa della pagina il processo torna ad essere pronto Informatica - A.A. 2009/ Sistemi operativi