ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΙ - UNIX Μάθημα: Λειτουργικά Συστήματα Συστήματα Αρχείων Διδάσκoντες: Καθ. Κ. Λαμπρινουδάκης (clam@unipi.gr) Δρ. Α. Γαλάνη (agalani@unipi.gr) Λειτουργικά Συστήματα 1
Μακροχρόνια Αποθήκευση Πληροφοριών Απαιτήσεις: 1. Δυνατότητα αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων πληροφοριών 2. Οι πληροφορίες πρέπει να επιβιώνουν μετά τον τερματισμό της διεργασίας που τις χρησιμοποιεί. 3. Πρέπει να επιτρέπεται σε πολλές διεργασίες να έχουν το δικαίωμα ταυτόχρονης προσπέλασης στις πληροφορίες Λειτουργικά Συστήματα 2
Αρχεία Αρχεία: λογικές μονάδες πληροφοριών που δημιουργούνται από τις διεργασίες Ένας δίσκος περιέχει χιλιάδες, ή ακόμη και εκατομμύρια αρχεία, καθένα από τα οποία είναι ανεξάρτητο από τα υπόλοιπα Οι πληροφορίες που αποθηκεύονται στα αρχεία πρέπει να είναι μόνιμες (persistent), δηλαδή να μην επηρεάζονται από την δημιουργία και τον τερματισμό των διεργασιών Ένα αρχείο πρέπει να εξαφανίζεται μόνο όταν ο ιδιοκτήτης του το διαγράφει Η διαχείριση των αρχείων γίνεται από το ΛΣ Το τμήμα του ΛΣ που ασχολείται με τα αρχεία ονομάζεται σύστημα αρχείων (file system) Λειτουργικά Συστήματα 3
Ονομασία αρχείων Όταν μία διεργασία δημιουργεί ένα αρχείο, του δίνει ένα όνομα. Όταν η διεργασία τερματιστεί, το αρχείο εξακολουθεί να υπάρχει και μπορεί να προσπελαστεί από άλλες διεργασίες, με το όνομά του Οι ακριβείς κανόνες για την ονομασία των αρχείων διαφέρουν από σύστημα σε σύστημα, αλλά όλα τα σύγχρονα ΛΣ επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται συμβολοσειρές (strings) με μήκος 1 έως 8 γράμματα ως έγκυρα ονόματα αρχείων Πολλά συστήματα αρχείων υποστηρίζουν ονόματα με μήκος έως 255 χαρακτήρες Συχνά επιτρέπονται ψηφία και ειδικοί χαρακτήρες Συχνά υπάρχει διάκριση ανάμεσα στα πεζά και στα κεφαλαία γράμματα Πολλά ΛΣ υποστηρίζουν ονόματα αρχείων με 2 τμήματα, τα οποία χωρίζονται με τελεία (π.χ. Book.pdf). To τμήμα που ακολουθεί την τελεία ονομάζεται προέκταση αρχείου (file extension) και συνήθως δίνει πληροφορίες για το αρχείο Λειτουργικά Συστήματα 4
Τυπικές Προεκτάσεις Αρχείων Λειτουργικά Συστήματα 5
Δομή Αρχείων Aκολουθία Byte To ΛΣ θεωρεί τα αρχεία ως ακολουθία byte και το νόημα της ακολουθίας αυτής αποδίδεται μόνο από το πρόγραμμα Επιτυγχάνεται μέγιστη δυνατή ευελιξία: τα προγράμματα μπορούν να τοποθετήσουν ότι θέλουν στα αρχεία τους & να τα ονομάσουν όπως θέλουν Προσέγγιση που χρησιμοποιείται από UNIX & Windows Λειτουργικά Συστήματα 6
Δομή Αρχείων - Ακολουθία Εγγραφών Kάθε αρχείο είναι μία ακολουθία εγγραφών σταθερού μήκους & κάθε εγγραφή έχει μια εσωτερική δομή. Οι λειτουργίες ανάγνωσης επιστρέφουν μία εγγραφή και οι λειτουργίες εγγραφής αντικαθιστούν ή προσθέτουν μία εγγραφή Λειτουργικά Συστήματα 7
Δομή Αρχείων - Δένδρο Τα αρχεία αποτελούνται από δένδρα εγγραφών που δεν έχουν το ίδιο μήκος. Κάθε μία εγγραφή περιέχει ένα πεδίο «κλειδί» (key) σε συγκεκριμένη θέση της εγγραφής, με βάση το οποίο είναι ταξινομημένο το δένδρο Eπίτευξη γρήγορης αναζήτησης για κάποιο συγκεκριμένο κλειδί (π.χ. από τα δεδομένα του αρχείου για τον ζωολογικό κήπο, θα μπορούσε να ζητηθεί η εγγραφή με το κλειδί Lamb χωρίς να υπάρχει ενδιαφέρον για την ακριβή θέση της εγγραφής στο αρχείο) Λειτουργικά Συστήματα 8
Τύποι Αρχείων Κανονικά Αρχεία (Regular Files) Περιέχουν πληροφορίες των χρηστών με κάποια από την προαναφερόμενη «δομή». Με αυτά θα ασχοληθούμε. Κατάλογοι (Directories) Αρχεία συστήματος που βοηθούν στη δόμηση των αρχείων. Ειδικά Αρχεία Χαρακτήρων (Character Special Files) Σχετίζονται με την είσοδο-έξοδο και χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση σειριακών συσκευών εισόδου-εξόδου (π.χ. τερματικά, εκτυπωτές) και δικτύων Ειδικά Αρχεία Μπλόκ (Block Special Files) Μοντελοποιούν Δίσκους Λειτουργικά Συστήματα 9
Τύποι Αρχείων Κανονικά Αρχεία Τα Κανονικά Αρχεία μπορεί να είναι: Αρχεία ASCII Αρχεία Δυαδικά (binary) Λειτουργικά Συστήματα 10
Τύποι Αρχείων Κανονικά Αρχεία - Αρχεία ASCII Τα Αρχεία ASCII αποτελούνται από γραμμές κειμένου που δεν χρειάζεται να έχουν το ίδιο μήκος και Κάθε γραμμή τερματίζεται με έναν χαρακτήρα επαναφοράς κεφαλής (carriage return), ή Χρησιμοποιείται χαρακτήρας αλλαγής γραμμής (line feed), ή Χρησιμοποιούνται και οι 2 τρόποι (π.χ. Winodws) Πλεονεκτήματα Εμφανίζονται και τυπώνονται όπως είναι, και μπορούν να υποστούν επεξεργασία με οποιονδήποτε διορθωτή κειμένου Εύκολη η σύνδεση της εξόδου ενός προγράμματος με την είσοδο ενός άλλου (η ερμηνία των πληροφοριών γίνεται ευκολότερη, όταν υπάρχει κάποια σύμβαση για την αναπαράστασή τους) Λειτουργικά Συστήματα 11
Τύποι Αρχείων Κανονικά Αρχεία Δυαδικά Αρχεία Τα Δυαδικά Αρχεία (binary): συνήθως έχουν κάποια εσωτερική δομή γνωστή στα προγράμματα που τα χρησιμοποιούν. Παραδείγματα: (α) ΕκτελέσιμαοΑρχείο (executable) το οποίο αποτελείται από πέντε μέρη: Κεφαλίδα (όπου περιλαμβάνει και τον μαγικός αριθμός που δηλώνει ότι το αρχείο είναι εκτελέσιμο, και τη διεύθυνση στην οποία αρχίζει η εκτέλεση) Κώδικας Δεδομένα Bit επανατοποθέτησης Πίνακας συμβόλων (για την αποσφαλμάτωση (debugging)) (β) Δυαδικό Αρχείο-αρχειοθήκη (archive) τo οποίo αποτελείται από μια συλλογή από διαδικασιών βιβλιοθήκης (library procedures) (object modules) που έχουν μεταγλωττιστεί αλλά δεν έχουν συνδεθεί. Λειτουργικά Συστήματα 12
Τύποι Αρχείων Κάθε ΛΣ πρέπει να αναγνωρίζει τουλάχιστον έναν τύπο αρχείων, τα εκτελέσιμα αρχεία, αλλά κάποια ΛΣ αναγνωρίζουν περισσότερους τύπους Λειτουργικά Συστήματα 13
Πρόσβαση στα Αρχεία Σειριακή Πρόσβαση (Sequential Access) Ανάγνωση όλων των bytes/εγγραφών από την αρχή Δεν είναι δυνατή ανάγνωση με άλλη σειρά Είναι δυνατή η επαναφορά στην αρχή (rewind) και η εκ νέου ανάγνωση του αρχείου Εύχρηστα στην εποχή των μαγνητικών ταινιών Αρχεία Τυχαίας Προσπέλασης (Random access) Η ανάγνωση των bytes/εγγραφών μπορεί να γίνει με οποιαδήποτε σειρά, ανεξαρτήτως της θέσης τους Απαραίτητα κυρίως για Βάσεις Δεδομένων Η ανάγνωση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους Καθορισμός της τρέχουσας θέσης στο αρχείο (εντολή seek), και μετά ανάγνωση από εκείνο το σημείο σειριακά, ή Η εντολή Read δίνει και τη θέση εκκίνησης της ανάγνωσης στο αρχείο Λειτουργικά Συστήματα 14
Ιδιότητες Αρχείων Κάθε αρχείο έχει ένα όνομα & τα δεδομένα του. Το ΛΣ συσχετίζει με αυτό επιπλέον πληροφορίες, π.χ ημερομηνία και ώρα δημιουργίας, που ονομάζονται ιδιότητες (attributes) ή και μεταδεδομένα (metadata) Λειτουργικά Συστήματα II 15
Ιδιότητες Αρχείων Oι σημαίες (flags) είναι πεδία με μικρό μήκος που ελέγχουν ή επιτρέπουν κάποια συγκεκριμένη ιδιότητα. Η λίστα των ιδιοτήτων διαφέρει από σύστημα σε σύστημα. Η παραπάνω είναι απλά ενδεικτική... και εξαρτάται από το συγκεκριμένο σύστημα. Λειτουργικά Συστήματα II 16
Ενέργειες στα Αρχεία Create (Δημιουργία) Δημιουργία αρχείου & καθορισμός μερικών από τις ιδιότητές του Delete (Διαγραφή) Open (Άνοιγμα) Προσκομίζονται στην κύρια μνήμη οι ιδιότητες και η λίστα των σχετικών με το αρχείο διευθύνσεων που υπάρχουν στο δίσκο, ώστε να επιταχυνθεί η πρόσβαση κατά τις κλήσεις που θα ακολουθήσουν. Close (Κλείσιμο) Οι ιδιότητες και οι διευθύνσεις δίσκου δεν χρειάζονται πια, οπότε απελευθερώνεται μνήμη (για το λόγο αυτό πολλά συστήματα ορίζουν μέγιστο αριθμό ανοικτών αρχείων ή διεργασιών που μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα) Κατά το κλείσιμο εξαναγκάζεται η εγγραφή του τελευταίου block στο δίσκο (ο δίσκος γράφεται κατά blocks), ακόμα και αν το συγκεκριμένο block δεν είναι γεμάτο. Read (Ανάγνωση) Πρέπει να καθοριστούν πόσα δεδομένα χρειάζονται (ώστε να δεσμευθεί και ο ανάλογος χώρος στη μνήμη) Λειτουργικά Συστήματα 17
Ενέργειες στα Αρχεία Write (Εγγραφή) Συνήθως η εγγραφή ξεκινάει από την τρέχουσα θέση. Αν η τρέχουσα θέση είναι στο τέλος του αρχείου τότε αυξάνει το μέγεθος του. Αν η τρέχουσα θέση βρίσκεται οπουδήποτε μέσα στο αρχείο τα δεδομένα που υπάρχουν αποθηκευμένα εκεί αντικαθίστανται (και χάνονται για πάντα). Append (Προσάρτηση) Περιορισμένη εκδοχή της Write Προσθέτει δεδομένα στο τέλος του αρχείου Seek (Αναζήτηση) Η συγκεκριμένη κλήση επανατοποθετεί το δείκτη αρχείου σε μια συγκεκριμένη θέση. Στη συνέχεια μπορεί να γίνει ανάγνωση / εγγραφή με αφετηρία τη συγκεκριμένη θέση. Get Attributes (Λήψη Ιδιοτήτων) Πολλές διεργασίες πρέπει να διαβάσουν τις ιδιότητες των αρχείων για να επιτελέσουν το έργο τους Set Attributes (Ορισμός Ιδιοτήτων) Παρέχει τη δυνατότητα αλλαγής κάποιων ιδιοτήτων του αρχείου. Rename (Μετονομασία) Λειτουργικά Συστήματα 18
Παράδειγμα σε UNIX Χρήσης Κλήσεων Συστήματος για Αντιγραφή Αρχείων (1/2) Το πρόγραμμα αντιγράφει ένα αρχείο προέλευσης (source file) σε ένα αρχείο προορισμού (destination file) Λειτουργικά Συστήματα 19
Παράδειγμα Χρήσης Κλήσεων Συστήματος για Αντιγραφή Αρχείων (2/2) Λειτουργικά Συστήματα 20
Κατάλογοι Tα συστήματα αρχείων για να παρακολουθούν τα αρχεία διαθέτουν συνήθως καταλόγους (directories) ή φακέλους (folders) Οι κατάλογοι είναι και οι ίδιοι αρχεία Λειτουργικά Συστήματα 21
Κατάλογοι Συστήματα Καταλόγων Ενός Επιπέδου Βασικός κατάλογος ή κατάλογος ρίζας: Ένας μόνο κατάλογος που περιέχει όλα τα αρχεία, δηλαδή: περιέχει 4 αρχεία τα οποία ανήκουν σε τρεις διαφορετικούς ιδιοκτήτες, A, B, και C Πλεονεκτήματα: απλότητα σχεδίασης και δυνατότητα να εντοπίζονται τα αρχεία πολύυ γρήγορα Μειονέκτημα: διαφορετικοί χρήστες να δημιουργήσουν αρχεία με το ίδιο όνομα με αποτέλεσμα το ένα από τα δύο να χάνεται Λειτουργικά Συστήματα 22
Συστήματα Καταλόγων Δύο Επιπέδων Ένας κατάλογος για κάθε χρήστη που περιέχει όλα τα αρχεία του. Με τα δύο επίπεδα δεν υπάρχουν πλέον διενέξεις αναφορικά με τα ονόματα των αρχείων. Ο κάθε χρήστης μπορεί να προσπελάσει μόνο τα αρχεία που βρίσκονται στον κατάλογο του. Επίσης, επιτρέπεται στους χρήστες να έχουν πρόσβαση στα αρχεία των άλλων παρέχοντας κάποια υπόδειξη η οποία προσδιορίζει σε ποιόν ανήκει το αρχείο (π.χ. Open ( costas/file ). Αυτό εξυπηρετεί στη χρήση των βοηθητικών και άλλων αρχείων του συστήματος. Λειτουργικά Συστήματα 23
Ιεραρχικά Συστήματα Καταλόγων Λειτουργικά Συστήματα 24
Ονόματα Διαδρομών Απόλυτο Όνομα Διαδρομής (absolute path name) Windows: \usr\ast\mailbox (ο \ είναι ο χαρακτήρας διαχωρισμού) UNIX: /usr/ast/mailbox (ο / είναι ο χαρακτήρας διαχωρισμού) Σχετικό Όνομα Διαδρομής (Relative path name) Χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τον κατάλογο εργασίας (τρέχων κατάλογος). Δηλαδή αν ο τρέχων κατάλογος είναι ο /usr/ast, το αρχείο με απόλυτη διαδρομή /usr/ast/mailbox μπορεί απλά να προσδιοριστεί ως mailbox. Τα περισσότερα λειτουργικά συστήματα που υποστηρίζουν ιεραρχικούς καταλόγους έχουν δύο ειδικές καταχωρήσεις σε κάθε κατάλογο τις. που σημαίνει τρέχων κατάλογος και.. που σημαίνει γονικός κατάλογος Λειτουργικά Συστήματα 25
Ονόματα Διαδρομών Παράδειγμα: Αν ο τρέχων κατάλογος είναι ο /usr/ast οι παρακάτω εντολές είναι ισοδύναμες cp /usr/lib/dictionary /usr/ast/dictionary και cp../lib/dictionary. Ένα Δένδρο Καταλόγων στο UNIX Λειτουργικά Συστήματα 26
Ενέργειες σε Καταλόγους Create (Δημιουργία) Δημιουργείται ένας κενός κατάλογος Delete (Διαγραφή) Μπορούν να διαγραφούν μόνο κενοί κατάλογοι Opendir (Άνοιγμα Καταλόγου) Για να διαβαστεί ένας κατάλογος πρέπει πρώτα να ανοίξει Closedir (Κλείσιμο Καταλόγου) Μετά την ανάγνωση ο κατάλογος μπορεί να κλείσει ώστε να ελευθερωθεί χώρος στη μνήμη. Readdir (Ανάγνωση Καταλόγου) Επιστρέφει πάντα την επόμενη καταχώρηση από έναν ανοικτό κατάλογο. Λειτουργικά Συστήματα 27
Ενέργειες σε Καταλόγους Rename (Μετονομασία) Όπως και στα αρχεία Link (Σύνδεση) Η σύνδεση είναι μια τεχνική που επιτρέπει σ ένα αρχείο να εμφανίζεται σε περισσότερους από έναν καταλόγους. Καθορίζει ένα υπάρχων αρχείο και ένα όνομα διαδρομής, και δημιουργεί ένα σύνδεσμο από το υπάρχον αρχείο στο όνομα που καθορίζει η διαδρομή. Unlink (Αποσύνδεση) Διαγράφεται μια καταχώρηση καταλόγου. Αν το αρχείο που αποσυνδέεται υπάρχει μόνο σ ένα κατάλογο τότε διαγράφεται το αρχείο. Αν υπάρχει σε περισσότερους καταλόγους τότε διαγράφεται μόνο το συγκεκριμένο όνομα της διαδρομής. Οι υπόλοιπες καταχωρήσεις μένουν. Λειτουργικά Συστήματα 28