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Il File System
Indice
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Il File System
Vantaggi del FS
Protezione
Condivisione
I file - 1
I file - 2
Attributi dei file
Directory
Livelli di astrazione - 1
Struttura logica vs Struttura fisica
Compiti del file system
Integrità dei dati e affidabilità
Struttura logica di un file – 1
settembre 2008
Il File System
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29.
30.
31.
32.
Metodo di accesso
Accesso sequenziale
Accesso diretto
Descrittore del file
Directory – 1
Directory – 2
Directory – 3
Directory simbolica
Directory di base
Tipi di directory – 1
2
Indice
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39.
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41.
42.
43.
44.
45.
Operazione di I/O su file - 1
File system fisico
Descrittore sistema archiv. - 1
Descrittore sistema archiv. – 2
Allocazione spazio su disco
Allocazione contigua - 1
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Il File System
Allocazione concatenata - 1
Allocazione concatenata – FAT – 1
Allocazione concatenata – FAT – 2
FAT - 1
FAT - 2
Allocazione indicizzata
Blocchi indice - 1
Blocchi indice - 2
Nodi indice (Unix → Linux)
i-node
Blocchi liberi
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Il file system
Il file system è quel modulo del sistema operativo
che fornisce i meccanismi di accesso e
memorizzazione delle informazioni (programmi e
dati) allocate in memoria di massa.
 Identifica e cataloga tutti i file presenti.
 Gestisce le operazioni sui file, offrendo primitive e
utility di gestione.
 Assegna l’uso dei file ai processi (attuando anche
meccanismi di protezione).
 Gestisce l’allocazione delle aree su disco.
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Vantaggi del file system
• Il compito di leggere e scrivere sui dispositivi
potrebbe essere affidato ai processi, ma la gestione
da parte del S.O. tramite il file system riduce i
problemi per i processi e permette di controllare la
protezione e di gestire la condivisione.
• Inoltre si solleva l’utente dalla necessità di
muovere esplicitamente i dati tra la memoria
principale e la memoria secondaria e dal dover
gestire i dati in modo diverso, a seconda del
supporto su cui sono fisicamente memorizzati.
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Protezione
• Il file system offre meccanismi di protezione per
stabilire chi può effettuare operazioni sui file e
quali.
• Solitamente chi crea il file viene considerato il
proprietario e può stabilire quali operazioni
possono essere effettuate dagli altri utenti.
• Ogni volta che viene richiesta un’operazione sul
file il file system controlla se l’operazione è
permessa.
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Condivisione
• Più processi possono aprire sessioni contemporanee
su uno stesso file: questo potrebbe causare
situazioni di inconsistenza dei dati.
• Per evitare ciò il file system gestisce gli accessi
contemporanei: un blocco può essere condiviso in
fase di lettura, ma non se sono previste operazioni
di aggiornamento.
• Questo tipo di gestione può portare a situazioni di
stallo, che viene risolto predisponendo gli
aggiornamenti in un ordine opportuno.
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I file - 1
I file sono l’astrazione logica delle risorse che il S.O.
definisce per conservare informazioni in modo
permanente su memoria di massa.
I dati contenuti in un file sono correlati e trattati
unitariamente.
Dal punto di vista dell’utente un file è la più piccola
porzione di informazione logica che può essere
memorizzata in memoria di massa, in altre parole i
dati non possono essere scritti in memoria
secondaria se non vengono inclusi in un file.
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I file - 2
In generale un file è una sequenza di bit, byte, righe
o record il cui significato è definito dal creatore
del file e dall’utente.
I file possono contenere informazioni di vario tipo:
Programmi (sorgente, oggetto, eseguibili)
Dati (l’estensione indica l’applicazione che li
ha generati)
Speciali (file di sistema o astrazione di
dispositivi)
Directory (descrivono altri file)
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Attributi dei file
Ogni file è individuato nel file system da un nome
simbolico ed è caratterizzato da un insieme di attributi.
Solitamente:
 tipo: stabilisce l’appartenenza ad una classe
(eseguibili, batch, testo, etc)
 indirizzo: puntatore alla memoria secondaria
 dimensione: numero di byte di cui è composto il file
 data e ora: di creazione e/o di modifica
In S.O. multiutente anche:
 creatore e possessore (anche distinti)
 protezione: diritti di accesso al file per ciascun utente
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Directory
Le informazioni su tutti i file sono mantenute nella
directory, che risiede come il file in memoria
secondaria.
Tipicamente un valore nella directory consiste nel
nome del file e in un identificatore univoco che, a
sua volta, individua gli altri attributi del file.
In un sistema con molti file la dimensione della
directory può essere di alcuni MB: essa dovrà
quindi essere caricata a pezzi in memoria, in base
alle necessità.
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Livelli di astrazione -1
La struttura dei dati all’interno di un file può essere
vista da tre livelli di astrazione distinti:
• Livello utente
– Il programma utente associa significato al contenuto del file
• Livello di struttura logica
– I dati grezzi (non interpretati) sono raggruppati dal S.O. in strutture
logiche per facilitarne il trattamento
• Livello di struttura fisica
– Il S.O. mappa le strutture logiche sulle strutture fisiche della
memoria secondaria disponibile (es. blocchi su disco)
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Oggetti gestiti
Chiamate tipiche
(primitive)
FILE
COPY, DELETE,
RENAME
Programmi applicativi e
di sistema (chiamate al
sistema operativo)
PARTI DI FILE
(indirizzamento
logico all’interno
del file)
OPEN, CLOSE, SEEK,
READ, WRITE
Device driver
SETTORI
(cilindro, testina,
settore)
OPEN, CLOSE, SEEK,
READ, WRITE
Livello
Utenti interattivi
(linguaggio dei comandi)
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Struttura logica vs Struttura fisica
Sulle memorie di massa i dati sono raggruppati in modo da
formare delle strutture, detti record fisici o blocchi, sulle
quali è possibile compiere le operazioni di lettura/scrittura.
In pratica il record fisico rappresenta l’unità di informazione
indivisibile che può essere trasferita dalla memoria di
massa a quella centrale con una sola operazione di I/O.
Tale unità dipende dalla struttura HW del sistema e, in
generale, non coincide con l’unità logica di informazione
(record logico).
È quindi possibile che un record fisico contenga più record
logici o che un record logico richieda più record fisici per
la sua registrazione.
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Compiti del file system
Realizza l’indipendenza dai dispositivi, nascondendo la
collocazione dei file e la loro eventuale allocazione su più
dispositivi
quindi
i processi che devono accedere ai file in lettura e/o scrittura
non devono preoccuparsi di sapere dove questi sono
allocati fisicamente: è sufficiente che usino primitive come
read(..) o write(..).
Fa corrispondere un modello logico del file a una struttura
fisica sul supporto di memoria e stabilisce i metodi di
memorizzazione e di accesso.
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Integrità dei dati e affidabilità
• Il file system deve garantire l’affidabilità dei file
con meccanismi di verifica e ripristino della
consistenza.
• Le cause principali di inconsistenza dei dati sono
l’immissione di dati errati e l’interruzione
improvvisa di programmi di elaborazione.
Procedure di recovery e
transazioni
Procedure di validazione
dei dati inseriti
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Struttura logica di un file - 1
• Le possibili strutture logiche di un file sono:
– A sequenza di byte (byte stream)
– A record di lunghezza fissa
– A record di lunghezza variabile
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• Sequenza di byte (byte stream)
– La struttura logica più rudimentale e flessibile
• la scelta di UNIX (→Linux) e Windows
– Il programma utente sa come dare significato al
contenuto informativo del file
• minimo sforzo per il S/O
– L’accesso ai dati utilizza un puntatore relativo
all’inizio del file
– Lettura e scrittura operano a blocchi di byte
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• Record di lunghezza fissa
– È difficile stimare a priori la lunghezza dei record
– Gli spazi non utilizzati sono riempiti da caratteri
speciali (es. NULL o SPACE)
– L’accesso ai dati può essere diretto o sequenziale e
utilizza un puntatore al record corrente
– Lettura e scrittura operano su record singoli
– Scelta obsoleta e legata a specifiche limitazioni
dell’architettura di sistema
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• Record di lunghezza variabile
– Struttura interna di ogni record descritta e
identificata univocamente da una chiave (key)
posta in posizione fissa e nota nel record
– Chiavi raccolte in una tabella a sé stante (file
indice), ordinata per chiave, contenente anche i
puntatori all’inizio del record
– Accesso ai dati per chiave di record
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• Record di lunghezza variabile
Ab..
Ma...
Be..
Bo..
Be..
Ab..
Ma...
Zi...
Zi...
Bo..
File indice
File dati
– L’accesso a un record avviene a partire dal file indice
tramite il campo chiave
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Metodo di accesso
Per metodo di accesso si intende la modalità
secondo cui è possibile accedere a un singolo
elemento (record logico) del file.
 Accesso sequenziale: per accedere ad un determinato
record è necessario scorrere sequenzialmente quelli che
lo precedono
• Si applica a file di record di lunghezza variabile
 Accesso diretto: un puntatore consente di posizionarsi
direttamente sull’elemento desiderato
• Si applica a file di record di lunghezza fissa
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Accesso sequenziale
• Scansione dall’inizio del file di tutti i record
fino a quello cercato
1
2
3
4
Carattere prefissato
(es.CR) per indicare la
fine del record
5
Per leggere il record 5 è necessario leggere
prima tutti i byte dei record 1, 2, 3, 4
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Accesso diretto
• Accesso diretto (random) al record cercato
1
2
3
Lunghezza prefissata
4
5
Per leggere il record 5, sapendo la lunghezza
dei record, ci si può posizionare direttamente
sul suo primo byte
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Descrittore del file
È la struttura dati che contiene gli attributi di un
file, cioè tutte le informazioni necessarie per la
gestione del file e per l’accesso al suo
contenuto.
Deve essere memorizzato in modo permanente.
Il descrittore di ogni file viene inserito come
record nella directory.
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Directory - 1
• Per catalogare i file presenti sulla memoria
di massa, il file system utilizza un file
(directory), memorizzato anch’esso sulla
memoria di massa in una posizione fissa e
conosciuta al sistema operativo (di norma
sulla traccia 0), che contiene le informazioni
riguardanti tutti i file presenti sul supporto.
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Directory - 2
Per ogni file viene inserito nella directory un record
contenente queste informazioni:
ID-FILE
LUNG.REC
dove:
id-file
lung.rec
n.rec
indirizzo
accesso
creazione
modifica
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N.REC
INDIRIZZO
ACCESSO
CREAZIONE
MODIFICA
= identificativo del file;
= lunghezza record;
= numero record;
= indirizzo primo blocco;
= diritto di accesso (solo lettura, lettura e scrittura);
= data creazione;
= data ultima modifica.
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Directory - 3
• La directory viene aggiornata dal file system ogni volta che
si crea, si cancella o si modifica un file: per velocizzare
queste operazioni, quando è richiesto l’uso di una memoria
di massa, la directory è portata nella memoria centrale
sotto forma di tabella.
• La tabella directory può essere anche molto ampia e
occupare troppo spazio nella memoria centrale. Per
semplificare le operazioni di ricerca e di gestione, la
tabella directory viene suddivisa in due parti: la directory
simbolica e la directory di base.
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Directory simbolica
• La directory simbolica contiene, per ogni file, il nome
simbolico e un puntatore al record della directory di base
in cui sono contenute tutte le informazioni riguardanti il
file. La directory di base contiene invece l’insieme
completo delle informazioni.
DIRECTORY SIMBOLICA
dove:
NUM
NUM = num. progressivo
ID-FILE
ID
ID-FILE = identificativo file
ID = identificativo del file
nella directory di base
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Directory di base
DIRECTORY DI BASE
ID-FILE
LUNG-REC
N-REC
INDIRIZZO
ACCESSO
CREAZIONE
MODIFICA
ID
Solo la directory simbolica è caricata in memoria centrale:
attraverso l’identificativo (ID) sono reperite tutte le
informazioni presenti nella directory di base.
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Tipi di directory - 1
Struttura gerarchica a N livelli
• La modalità più frequente è quella in cui le
directory hanno una struttura ad albero:
esistono più file directory e ogni descrittore
può contenere il nome di un file o di
un’altra directory (sottodirectory), partendo
da una directory principale (root).
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31
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Il File System
32
• Tale struttura agevola i meccanismi di ricerca
di un file, poiché ogni directory contiene un
numero limitato di file
• Permette di avere file con lo stesso nome in
directory diverse
• Il file system rende disponibili le operazioni
di gestione delle directory (creazione,
cancellazione..) e aggiorna le directory
quando vengono eseguite operazioni sui file.
settembre 2008
Il File System
33
• Una operazione di I/O su file genera una
interruzione che richiede l’intervento del sistema
operativo.
• Una generica richiesta di operazione su un record
del file può avere la seguente sintassi:
leggi (file, destinazione, i)
nome del file su cui
eseguire l’operazione
settembre 2008
variabile in cui
memorizzare il record
Il File System
posizione logica del
record nel file
34
Cosa accade dal momento in cui al File System
perviene la richiesta di lettura?
Vengono effettuate nell’ordine le seguenti operazioni:
1. Scansione dell’albero delle directories per trovare la
directory del file a cui è richiesto l’accesso
2. Estrazione dal descrittore delle informazioni relative
al file cercato. Una volta reperito, il descrittore viene
copiato in RAM nella cosiddetta tabella dei file
aperti, in modo da rendere più veloce l’elaborazione
del file.
L’allocazione del descrittore nella tabella dei file
aperti corrisponde all’operazione di apertura del file.
settembre 2008
Il File System
35
3.
4.
Verifica dei controlli d’accesso, che possono essere
di tipo statico (determinano se il processo ha il
permesso di effettuare l’operazione richiesta sul file)
o dinamico (verificano se ci sono altri processi che
stanno usando in modo condiviso il file e stanno
eseguendo operazioni che impediscono al momento
di procedere)
Calcolo dell’indirizzo logico del record all’interno
del file (espresso in byte, come se il file fosse un byte
stream), utilizzando le informazioni sul tipo di
organizzazione e la lunghezza del record. La richiesta
di operare su un record viene quindi trattata come
richiesta di accesso a uno o più byte.
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Il File System
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Esempio:
Se l’organizzazione di un file fosse a record di lunghezza
fissa, la dimensione di ciascun record LR = 512 bytes e
l’accesso fosse diretto, si avrebbe che la richiesta di
accedere al 3° record (NR) si trasformerebbe nella richiesta
di accedere al byte logico di indirizzo
Ind = (NR –1) * LR = (3 – 1) * 512 = 1024
record 1
record 2
record 3
LR
Ind = 1024
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5.
Calcolo dell’indirizzo fisico: a partire dall’indirizzo
logico, il file system fisico individua il numero del
blocco che contiene il record richiesto, in base alla
lunghezza dei blocchi, e l’indirizzo relativo del
record all’interno del blocco.
Il calcolo del n. del blocco è ancora indipendente dal
tipo e dalle caratteristiche della periferica e dalla
modalità di allocazione dello spazio sulla periferica.
6.
Interfaccia con la gestione dei dispositivi:
l’esecuzione vera e propria dell’operazione richiede
l’intervento del gestore dei dispositivi e l’utilizzo del
driver della periferica.
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• Utilizzando il driver della periferica si effettua la
conversione del numero di blocco nell’indirizzo fisico
relativo alla periferica (per es. numero di cilindro, testina e
settore su un disco).
• Viene generato un processo di I/O che al termine genera
una interruzione.
lettura di un blocco
Buffer di I/O
HD
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scrittura di un blocco
Il File System
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File system fisico
Ogni dispositivo che permette la memorizzazione dei
file contiene anche un descrittore del sistema di
archiviazione, una struttura con le informazioni
sul modo in cui è organizzata la memorizzazione
dei dati sul dispositivo.
Le informazioni contenute nel descrittore del sistema
di archiviazione dipendono dal tipo di dispositivo
e dalla tecnica di allocazione utilizzata.
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Descrittore del sistema di archiviazione - 1
Il descrittore del sistema di archiviazione su disco
può contenere:
– L’etichetta del disco
– Il valore della lunghezza massima dei file che si
possono memorizzare
– Informazioni sulla tabella dei descrittori dei file
– Informazioni sulle tabelle usate per l’assegnazione dei
blocchi ai file
– L’indicazione del primo blocco utilizzato per i file e il
numero di blocchi presenti
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Il File System
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Descrittore del sistema di archiviazione - 2
Dopo il descrittore del sistema di archiviazione si
trovano:
– La mappa dei descrittori di file con lo stato di
assegnazione dei descrittori di file
– La tabella dei descrittori
– la FAT con le informazioni dei blocchi ai file o la
mappa dei blocchi che indica la disponibilità dei
blocchi
Al termine delle strutture di dati del file system si
trovano i blocchi disponibili per i file.
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Il File System
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Allocazione dello spazio su disco
L’allocazione dello spazio su disco avviene per
blocchi, secondo tre possibili tecniche:
allocazione contigua, allocazione concatenata,
allocazione indicizzata.
In ogni caso bisogna usare delle informazioni
aggiuntive per conoscere quali blocchi sono
assegnati ad ogni file.
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Ogni file è mappato su un insieme di blocchi fisicamente
contigui.
Vantaggi:
– basso costo della ricerca di un blocco
– possibilità di accesso sequenziale e diretto
Svantaggi:
– individuazione dello spazio libero per l’allocazione di un nuovo file
– frammentazione esterna: a mano a mano che si riempie il disco
rimangono zone contigue non utilizzabili
– Ricompattazione periodica molto costosa
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Allocazione contigua
-2
Esempio di allocazione contigua
directory
file
settembre 2008
inizio
lunghezza
count
0
2
f
6
2
tr
14
3
mail
19
6
list
28
4
Il File System
45
I blocchi sui quali viene mappato il file sono organizzati
in una lista concatenata: ciascun blocco di file deve
contenere il puntatore al blocco successivo (o fine
lista).
Vantaggi:
– non c’è frammentazione esterna
– Non si deve dichiarare la dimensione del file quando lo si crea
Svantaggi:
–
–
–
–
possibilità di errore se un link viene danneggiato
maggiore occupazione (spazio per i puntatori)
costo della ricerca di un blocco (continui accessi al disco)
l’accesso sequenziale resta semplice, quello diretto diventa oneroso
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46
directory
file
prova
inizio
fine
9
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Esempio di allocazione concatenata
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Allocazione concatenata – FAT - 1
Un’importante variazione al metodo di
allocazione concatenata è l’uso della tabella di
allocazione dei file (File Allocation Table o
FAT), usato dai sistemi operativi MS-DOS.
Si usa una tabella per ogni partizione formata
da tanti elementi quanti sono i blocchi del
disco; ogni elemento può contenere un
puntatore al blocco successivo se il blocco
appartiene a un file, o una indicazione che il
blocco è libero.
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48
Allocazione concatenata – FAT - 2
Il numero del primo blocco del file viene
memorizzato nel descrittore del file e
consente l’accesso al resto del file.
La catena di puntatori viene scorsa solo
all’interno della tabella, che può essere
copiata in memoria centrale per rendere più
veloce l’accesso.
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49
FAT - 1
Si tratta di una tecnica di allocazione
efficiente perché la ricerca di un blocco
avviene accedendo alle informazioni riunite
in un’unica tabella piuttosto che dislocate
nei vari blocchi sparsi sul disco.
Vantaggi:
• Non comporta frammentazione esterna
• Consente accesso sequenziale e diretto
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FAT - 2
….
test
nome
(n. blocchi del disco – 1)
settembre 2008
2
descrittore del file
blocco di partenza
0
1
2
3
4
5
6
7
#
#
4
#
5
6
EOF
#
0
FAT
lista blocchi liberi
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1
3
7
51
Blocchi indicizzata
indice
Allocazione
Se il sistema operativo non supporta la FAT si
ricorre all’allocazione indicizzata, che riunisce i
puntatori ai blocchi in strutture apposite (l’intero
blocco contiene quindi solo dati)
Ci sono due strategie di organizzazione
– blocco indice
– nodo indice (i-node)
Vantaggi:
• Non comporta frammentazione esterna
• Consente accesso sequenziale e diretto
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Blocchi indice - 1
Ogni file ha il proprio blocco indice, che è un array di
indirizzi dei blocchi su disco.
L’i-esimo elemento nel blocco indice punta all’iesimo blocco del file; la directory contiene
l’indirizzo del blocco indice.
Svantaggi:spazio sprecato dal blocco indice nel caso
in cui un file sia formato da pochi blocchi.
Si pone la questione di quanto debba essere grande
un blocco indice.
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53
Blocchi indice - 2
Esempio di
allocazione
indicizzata con
blocchi indice
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Il File System
54
Nodi indice (Unix → Linux)
Si usa una struttura indice (i-node) per ogni
file, con gli attributi del file e i puntatori ai
suoi blocchi
– L’i-node è contenuto in un blocco dedicato
– Linux usa i-node da 64 bytes
In RAM una tabella di i-node per i soli file in uso
Un i-node contiene un numero limitato di puntatori a
blocchi → più livelli di puntatori (punt. indiretti)
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55
i-node
Esempio di
allocazione
indicizzata con nodi
indice (i-node)
settembre 2008
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Blocchi liberi
Il file system deve inoltre poter sempre individuare i
blocchi liberi da assegnare ad un nuovo file: per
questo utilizza tecniche che ne agevolino la ricerca
– blocchi liberi concatenati in una lista
– tabella di puntatori ai blocchi liberi organizzati a lista
– mappa dei blocchi liberi (ogni puntatore individua il
primo blocco di un’area libera seguito dal n. di blocchi
liberi contigui)
– bit map: si usa una sequenza di bit, uno per blocco, che
indica se il blocco corrispondente è libero o occupato
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