Основы операционных систем, Карпов В.Е. (Лекция №11 часть 2, 2019)

Введение в тему файлов и файловых систем

0:07

Обсуждение различных уровней абстракции понятия файла.
Математические и логические файлы, их базовые операции.
Усложнения понятия файла и его использование в программировании.

Логические и физические файловые системы

1:09

Логические файлы и их операции в вычислительной системе.
Атрибуты файлов и их защита в многопользовательских системах.
Физические файловые системы и их организация.

Логическая файловая система

3:04

Логическая файловая система как способ организации коллекции логических файлов.
Аналогия с библиотекой и систематизацией книг.
Логическая организация коллекции файлов.

Физическая файловая система

4:48

Физическая файловая система как структурированная совокупность файлов во вторичной памяти.
Понятие физического файла и его расположение.
Файловая система как часть операционной системы.

Логическая файловая система и каталоги

5:57

Логическая файловая система как способ организации коллекции логических файлов.
Отсутствие структуры и организация в виде кучи.
Необходимость именования файлов для их различения.

Одноуровневая директория

7:04

Одноуровневая директория как структура данных.
Запись в директории содержит имя файла и информацию о доступе к его атрибутам и данным.
Пример из личной библиотеки для иллюстрации необходимости информации о расположении файлов.

Двухуровневая директория

10:18

Одноуровневая директория подходит для небольших систем с одним пользователем.
В многопользовательских системах требуется двухуровневая директория.
Обобщение структуры для улучшения управления файлами.

Одноуровневая директория

10:56

Одноуровневая директория должна храниться на вторичном носителе.
В логической файловой системе появляются два типа файлов: директории и регулярные файлы.
При наличии нескольких пользователей, каждый пользователь работает со своими файлами.

Двухуровневая директория

11:56

Вводится идея двухуровневой директории: главная директория и директории пользователей.
Имена файлов могут быть идентичными у разных пользователей.
В первых версиях Unix использовались двухуровневые директории.

Дерево директорий

13:40

Двухуровневая директория обобщается до произвольного количества уровней.
Вводится понятие корневой директории и поддиректорий.
Имена файлов должны быть уникальными в рамках одной директории.

Полные и относительные имена файлов

14:37

Полные имена файлов строятся от корневой директории.
В Unix используется символ слэш для разделения имен.
В Windows используются другие разделители.

Относительные имена файлов

17:33

Относительные имена файлов строятся от текущей директории процесса.
В Unix текущая директория обозначается как слэш тмп слэш с123.
Относительные имена могут быть короче полных имен.

Изменение операций над файлами

20:47

Введение внешней структуры изменяет набор операций над файлами.
Операция создания файла теперь включает запись в директорию.
Операция удаления файла теперь включает ликвидацию записи в директории.
Появляется новая операция создания пустой директории.

Переход от дерева директорий к ациклическому графу

23:45

Логическая файловая система может быть обобщена до ациклического графа.
Пример: два пользователя работают над совместным проектом, используя файлы друг друга.
Второй пользователь может добавить запись в свою директорию, указывающую на файл первого пользователя.

Создание жесткой связи

24:40

Второй пользователь добавляет запись в свою директорию, указывая на файл первого пользователя.
Это создает жесткую связь между директориями, превращая дерево в ациклический граф.
Файл может иметь несколько полных имен, что делает его уникальным.

Удаление файла в ациклическом графе

27:01

Удаление файла в ациклическом графе сложнее, чем в дереве директорий.
Файл физически не удаляется, а только помечается как свободный.
Количество жестких связей должно стать равным нулю для физического удаления файла.

Граф общей структуры

28:48

Пример: пользователи работают над большим проектом, используя директории для совместной работы.
Установка жестких связей между директориями может привести к циклам.
Для предотвращения циклов используются символические связи или файлы типа "связь".

Монтирование файловых систем

34:42

Операция монтирования позволяет объединить две файловые системы в одну.
Главная файловая система имеет пустую директорию, которая совмещается с корневой директорией второй системы.
Смонтированная файловая система может быть размонтирована обратно, сохраняя все изменения.

Физические файловые системы

37:12

Физические файловые системы отображают логические файловые системы на носители информации.
Логическая файловая система описывается специальными файлами директорий и файлами типа "связь".
Физические файлы и файловые системы требуют понимания, как эти файлы размещаются на носителе информации.

Файл контрол блок

38:10

Вводится понятие файл контрол блока, аналога блок управления процессом.
Файл контрол блок включает информацию об атрибутах файла, его расположении и правах доступа.
Эта информация позволяет операционной системе корректно работать с файлами.

Хранение файл контрол блока

40:07

Файл контрол блок может храниться в записи директории, частично в директории и частично в отдельной структуре.
Возможны различные способы хранения информации в зависимости от реализации физической файловой системы.

Организация вторичной памяти

43:28

Вторичная память не умеет записывать и считывать информацию по байтам.
Обмен информацией осуществляется блоками, называемыми секторами или страницами.
В начале вторичной памяти находится заголовок физической файловой системы, а остальная информация объединяется в логические блоки.

Логические блоки и адресное пространство

45:45

Логические блоки имеют последовательную нумерацию и могут использоваться для хранения информации из файл контрол блоков.
Структура вторичной памяти напоминает структуру оперативной памяти с линейным адресным пространством блоков.
В эти блоки размещается информация о файлах, директориях и связях, описывающих структуру файловой системы.

Методы выделения блоков для хранения файлов

47:26

Непрерывное выделение блоков: все блоки следуют друг за другом.
Пример: файл A требует два блока, файл B - три блока, файл C - три блока.
Информация о файле хранится в директории: имя файла, начальный блок, размер и атрибуты.

Внутренняя фрагментация

50:31

Внутренняя фрагментация: блоки могут быть заполнены не полностью.
Потеря половины содержимого блока.
Преимущества: быстрое чтение информации из близлежащих блоков.

Недостатки непрерывного выделения блоков

51:43

Проблемы с увеличением размера файла: необходимость перемещения файла.
Внешняя фрагментация: структура памяти напоминает швейцарский сыр.
Стратегии размещения файлов: best-fit, first-fit.

Метод связанного списка

56:13

Размещение блоков в произвольных местах памяти.
Использование служебных блоков для построения связанного списка.
Пример: файл A, B, C, где служебные блоки содержат ссылки на следующие блоки.

Преимущества и недостатки метода связанного списка

1:00:58

Отсутствие внешней фрагментации.
Недостатки: последовательный доступ к информации, потеря преимущества прямого доступа.

Недостатки связанных списков

1:02:36

Снижение производительности при обращении к файлам.
Потеря дисковой памяти из-за хранения указателей.
Логические блоки могут содержать только часть полезной информации.

Надежность хранения информации

1:03:59

Вторичная память подвержена износу и повреждениям.
Повреждение первого блока файла делает недоступными остальные блоки.
Однонаправленные списки не решают проблему полностью.

Аналогов в оперативной памяти

1:04:59

Метод выделения блоков не имеет аналогов в оперативной памяти.
Неоднократное движение по оперативной памяти замедляет доступ.
Идея хорошая, но реализация затруднительна.

Решение проблемы доступа

1:05:46

Использование таблицы расположения файлов FAT.
Таблица FAT хранит информацию о расположении файлов.
Это позволяет избежать последовательного доступа к памяти.

Структура таблицы FAT

1:07:29

Таблица FAT содержит информацию о номерах логических блоков.
Каждый элемент таблицы соответствует номеру логического блока.
Таблица хранится в заголовке файловой системы.

Хранение информации в директории

1:09:18

Директория содержит запись с именем файла и номером первого блока.
Номер первого блока является ссылкой на таблицу FAT.
Это упрощает доступ к данным, хранящимся в разных блоках.

Надежность и копии таблицы FAT

1:11:02

Проблема надежности при повреждении заголовка файловой системы.
Хранятся несколько копий таблицы FAT для повышения надежности.
Это позволяет копировать информацию на другой носитель при необходимости.

Метод прямой индексации

1:12:40

Метод прямой индексации аналогичен страничной организации памяти.
Создается таблица для отображения номеров блоков файла в номера блоков на диске.
Таблица заполняется для каждого файла, что упрощает доступ к данным.

Аналог страничной памяти

1:14:03

В схемах управления оперативной памятью используется таблица страниц для размещения страниц логического адресного пространства в физическом адресном пространстве.
В файловых системах также требуется таблица индексов для хранения ссылок на блоки данных.
Вопрос: где хранить эту таблицу индексов?

Методы хранения индексной таблицы

1:15:05

Первый метод: выделение блока для хранения индексной таблицы.
Второй метод: объединение индексной таблицы с атрибутами файла в индексный узел.
Третий метод: многоуровневая индексация для больших файлов.

Смешанная индексация

1:19:47

Смешанная индексация использует индексный узел с атрибутами файла и записями с прямой индексацией.
Для больших файлов используется блок косвенной адресации, затем блок двойной косвенной адресации и, наконец, блок тройной косвенной адресации.

Файловая система как часть операционной системы

1:22:00

Файловая система обслуживает физическую файловую систему.
Основные функции: распределение внешней памяти, идентификация файлов, обеспечение операций над файлами, защита от несанкционированного доступа, надежность хранения и отказоустойчивость.

Учет занятого и свободного пространства

1:24:39

Учет занятого пространства не важен, учитывается только свободное пространство.
При форматировании диска все блоки считаются свободными.
Методы учета свободных блоков: битовое поле и связанный список.

Идентификация файлов

1:28:37

Файловая подсистема операционной системы связывает имя файла с его расположением.
Для этого она последовательно разбирает полное или относительное имя файла.
Процесс включает чтение файла корневой директории и определение его расположения на диске.

Эффективность операций

1:30:39

Большое количество обращений к диску делает операции чтения и записи неэффективными.
Операции открытия и закрытия файлов используются для повышения эффективности работы файловой подсистемы.
Эти операции не являются операциями над файлами, а служебными операциями внутри ОС.

Логические файловые системы

1:32:47

Логические файловые системы обеспечивают выполнение операций над файлами.
Основные операции над файлами и их изменения при переходе к логическим файлам.
Системные вызовы операционной системы позволяют пользователям выполнять эти операции.

Защита от несанкционированного доступа

1:33:24

Пользователи делятся на категории, и для каждой категории определяются разрешенные операции.
При доступе к файлу проверяется, что пользователь имеет право на выполнение операции.
Это позволяет избежать несанкционированного доступа к файлам.

Совместное использование файлов

1:34:43

При одновременном доступе к файлу нескольких процессов возможны конфликты.
Для предотвращения конфликтов используются механизмы блокировки и монопольного доступа.
Специальные системные вызовы позволяют управлять доступом к файлам.

Надежность и отказоустойчивость

1:35:49

Важно обеспечить целостность файловой системы при сбоях и отказах.
Используются методы, такие как RAID и журналирование, для восстановления данных.
Для получения дополнительной информации рекомендуется обратиться к учебникам и монографиям.

Заключение

1:36:49

Завершение обсуждения темы.
При наличии вопросов предлагается обращаться по указанному адресу электронной почты.
Благодарность за внимание.

Основы операционных систем, Карпов В.Е. (Лекция №11 часть 2, 2019)

Ключевые темы и таймкоды

Введение в тему файлов и файловых систем

Логические и физические файловые системы

Логическая файловая система

Физическая файловая система

Логическая файловая система и каталоги

Одноуровневая директория

Двухуровневая директория

Одноуровневая директория

Двухуровневая директория

Дерево директорий

Полные и относительные имена файлов

Относительные имена файлов

Изменение операций над файлами

Переход от дерева директорий к ациклическому графу

Создание жесткой связи

Удаление файла в ациклическом графе

Граф общей структуры

Монтирование файловых систем

Физические файловые системы

Файл контрол блок

Хранение файл контрол блока

Организация вторичной памяти

Логические блоки и адресное пространство

Методы выделения блоков для хранения файлов

Внутренняя фрагментация

Недостатки непрерывного выделения блоков

Метод связанного списка

Преимущества и недостатки метода связанного списка

Недостатки связанных списков

Надежность хранения информации

Аналогов в оперативной памяти

Решение проблемы доступа

Структура таблицы FAT

Хранение информации в директории

Надежность и копии таблицы FAT

Метод прямой индексации

Аналог страничной памяти

Методы хранения индексной таблицы

Смешанная индексация

Файловая система как часть операционной системы

Учет занятого и свободного пространства

Идентификация файлов

Эффективность операций

Логические файловые системы

Защита от несанкционированного доступа

Совместное использование файлов

Надежность и отказоустойчивость

Заключение