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David Schirrmeister
2024-12-05 13:53:10 +01:00
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310
Writerside/topics/02/BS/16_Dateisysteme.md Normal file
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@ -0,0 +1,310 @@
# Dateisysteme
## Warum Dateisysteme
- Neben Verwaltung des Hauptspeichers und Cache
- Verwaltung des Massenspeichers (bspw. SSD, Festplatte)
- Organisation der Ablage von Dateien
- Dateisysteme verwalten die Namen und Attribute (Metadaten) der Dateien
- Bilden einen Namensraum
- Hierarchie von Verzeichnissen und Dateien
## Dateien
- Datei dient der Abstraktion
- Bietet Möglichkeit Informationen auf einer Platte zu speichern/lesen
- Nutzer müssen Details der Speicherung verborgen bleiben
- _Wo_ und _Wie_
- Wichtigstes Merkmal ist Art und Weise wie verwaltete Objekte benannt werden
- Wenn Prozess Datei erzeugt, vergibt er ihr einen Namen
- Bei einigen Systemen (bspw UNIX)
- Dateiendungen lediglich Konventionen, die vom Betriebssystem nicht erzwungen
- Datei _file.txt_ kann Textdatei sein, Name dient mehr dazu den User zu erinnern
- Andererseits könnte ein C-Compiler darauf bestehen, dass Eingabedateien Endung ".c" haben
- Für BS ist das egal
- Dateien können in verschiedenster Art und Weise strukturiert sein
- **Bytefolge**
- **Datensätze**
- **Baumstrukturen**
- In den meisten Fällen werden Dateien als Bytefolgen angesehen
- Maximum an Flexibilität
- Interpretation der Inhalte erfolgt auf Anwendungsebene
## Sequenzieller Dateizugriff
- Prozess kann alle Bytes oder Datensätze einer Datei nacheinander lesen
- Überspringen oder Zugriffe außerhalb der Reihenfolge nicht möglich
- Sequenzielle Dateien konnten zurückgespult werden
- können so oft wie nötig gelesen werden
## Wahlfreier Dateizugriff
- Mit Einführung der Platte als Speichermedium
- Möglichkeit die Bytes oder Datensätze in beliebiger Reihenfolge auslesen
- über Schlüssel statt Positionsangabe zugreifen
- Dateien, bei denen das geht = Dateien mit _wahlfreiem Zugriff_ (random access file)
- sind heute Voraussetzung für viele Anwendungen
- bspw. für Datenbanksysteme
## Dateiattribute
- Eigenschaften / Metadaten
- Können von BS / Dateisystem verwaltet werden
- enthalten Größe, Erstellungsdatum, Zugriffsrechte ...
## Dateioperationen
### Create
- Datei wird ohne Datum erzeugt
- Entstehung der Datei ankündigen und eigene Attribute festlegen
### Delete
- Wird eine Datei nicht länger benötigt, muss sie gelöscht werden
### Open
- Bevor eine Datei benutzt werden kann, muss ein Prozess sie öffnen
- Open ermöglicht Laden in Arbeitsspeicher
### Close
- Freigeben des internen Tabellenspeichers
### Read
- Daten werden aus Datei gelesen
- Bytes von der aktuellen Position
- Aufrufer muss angeben wie viele Daten benötigt werden
- Puffer für Daten zur Verfügung stellen
### Write
- Wenn aktuelle Position an Ende der Datei
- Dateigröße erhöht sich
- Befindet sich Position in der Mitte der Datei
- vorhandene Daten werden überschrieben
### Append
- Eingeschränkte Form von [Write](#write)
### Seek
- Bei Dateien mit wahlfreiem Zugriff
- Von wo Daten holen?
- Seek positioniert Dateizeiger an einer bestimmten Stelle in der Datei
- Danach lesen/schreiben an Position
### Rename
- Name der Datei ändern
- nicht zwingend notwendig
- normalerweise in eine neue Datei mit anderem Namen umkopieren
- alte löschen
### Get attributes
### Set attributes
## Verzeichnisse
- Verzeichnissystem mit nur einer Ebene ist angemessen für sehr einfache Anwendungen
- ![image_338.png](image_338.png)
- **absolute Pfadnamen**
- Gesamter Pfad von Wurzel bis Datei
- **relative Pfadnamen**
- In Verbindung mit dem Konzept des Arbeitsverzeichnisses
- ./
- aktuelles Verzeichnis
- ../
- übergeordnetes Verzeichnis
- ![image_339.png](image_339.png)
## Verzeichnisoperationen
### Create (Verzeichnis)
### Delete (Verzeichnis)
- Es kann immer nur ein leeres Verzeichnis gelöscht werden
- (., .. dürfen enthalten sein)
### Opendir
- Um beispielsweise alle Dateien in einem Verzeichnis aufzulisten
### Closedir
### Readdir
- Aufruf gibt nächsten Eintrag eines geöffneten Verzeichnisses zurück
### Rename (Verzeichnis)
### Link
- Durch Technik des Verlinkens können Dateien in mehr als einem Verzeichnis vorkommen
- Spezifiziert eine vorhandene Datei und erzeugt Verbindung von dieser Datei zu dem Namen
### Unlink
- Verzeichniseintrag wird entfernt
- Falls nur in einem Verzeichnis → [löschen](#delete)
## Implementierung
- BIOS liest MBR ein, führt aus
- MBR-Programm
- lokalisiert aktive Partition
- liest ersten Block (Boot-Block)
- führt aus
- lädt BS, das in Partition gespeichert ist
- Dateisystem enthält häufig noch Superblock
- enthält alle _Schlüsselparameter_ des Dateisystems
- **Magische Zahl**
- identifiziert Typ des DS
- **Anzahl der Blöcke**
- **Weitere administrative Schlüsselinformationen**
- wird bei Start in den Speicher geladen
- Danach
- **Freie Blöcke**
- Bitmap oder Liste von Zeigern
- **I-Nodes**
- Feld von Datenstrukturen
- Jede beinhaltet Informationen über je eine Datei
- **Wurzelverzeichnis**
- Spitze des Dateibaums
- ![image_340.png](image_340.png)
## Methoden zur Belegungsverkettung
### Zusammenhängende Belegung
- Einfachstes Belegungsschema
- Speicherung als zusammenhängende Menge von Plattenblöcken
- Jede Datei beginnt mit neuem Block
- ![image_351.png](image_351.png)
- | Vorteile | Nachteile |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
| Einfach zu implementieren<br/>Lokalisierung der Dateiblöcke basiert auf zwei Zahlen | Im Laufe der Zeit wird die Platte fragmentiert |
| hervorragende Leseleistung<br/>Gesamte Datei kann mit einer Operation von der Platte gelesen werden | ![image_352.png](image_352.png) |
- In manchen Situationen praktikabel
- CD-ROM
- alle Dateigrößen sind bekannt, werden sich niemals während Gebrauch ändern
- DVD
- Kann als eine Datei gespeichert werden
- meistens ~4 1GB Dateien
### Verkettete Listen
- Jede Datei ist verkettete Liste von Plattenblöcken
- Erstes Wort = Zeiger auf den nächsten
- Rest = Daten
- ![image_353.png](image_353.png)
- | Vorteile | Nachteile |
|-------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------|
| Kein verlorener Speicherplatz durch Fragmentierung | sequenzielles Lesen zwar schnell, wahlfreier Zugriff sehr langsam |
| | Für Verzeichniseintrag ist Plattenadresse des ersten Blocks ausreichend | Um Auf Block n zuzugreifen müssen n-1 Blöcke vorher gelesen werden |
### File Allocation Table (FAT)
- Zeiger jedes Plattenblocks in einer Tabelle im Arbeitsspeicher
- | Vorteile | Nachteile |
|------------------------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Gesamter Block steht für Daten zur Verfügung | Gesamte Tabelle muss durchgehend im Speicher sein |
| Obwohl Kette verfolgt werden muss, kann das im RAM ohne Zugriffe auf Platte geschehen | Bei einer !TB Festplatte mit einer Blockgröße von 1KB benötigt die Tabelle 1Mia*3Byte ~ 3GB des RAM |
| Es reicht für Verzeichniseintrag einen einzigen ganzzahligen Wert des Startblocks zu speichern | |
### I-Nodes (Index Node)
- Datenstruktur, die Informationen über eine Datei oder ein Verzeichnis auf einem Dateisystem enthält
- Jede/s Datei/Verzeichnis ist durch einen eindeutigen I-Node identifiziert
- | Vorteile | Nachteile |
|--------------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| I-Node muss nur im Speicher sein, solange Datei geöffnet ist | Jeder Node kann nur begrenzte Anzahl von Plattenadressen<br/>Sobald das Limit erreicht ist, müsste man die letzte Adresse als Zeiger auf den nächsten Node nehmen |
| Feld, das die I-Nodes enthält benötigt nur n*k Byte | |
- ![image_354.png](image_354.png)
## Dateinamen
- Keine festgelegte Länge
- variable Dateinamenlängen verwalten?
- ![image_355.png](image_355.png)
- Nachteil:
- Lücke variabler Länge
- entsteht, wenn eine Datei entfernt wird und nächste Lücke nicht genau passt
- Es ist möglich Verzeichniseinträge zu verschieben
- ![image_356.png](image_356.png)
- Für alle Dateinamen nur feste Längen zulassen
- Gemeinsam auf einem Heap am Ende des Verzeichnisses speichern
- Vorteil:
- nach Entfernen einer Datei passt nächste immer rein
- Heap muss mitverwaltet werden :/
- Lineare Suche → sehr langsam
- Verwendung einer Hashtabelle in jedem Verzeichnis
- Vorteil einer viel schnelleren Suche
- Nachteil: komplizierte Verwaltung
- Zwischenspeichern der Resultate vorangegangener Suchen
## Gemeinsam genutzte Dateien
- ![image_357.png](image_357.png)
- Probleme:
- ![image_358.png](image_358.png)
- Enthält Verzeichnis Plattenadressen, dann muss Kopie der Adressen im Verzeichnis B angelegt werden
- Wenn B/C Daten an Datei anhängen
- neue Blöcke werden nur im Verzeichnis, in dem Änderung stattfand, aufgelistet
- Zweck gemeinsamer Verwendung verfehlt
### Symbolische Links
- Enthält Pfadnamen zur gewünschten Datei
- Wenn B Datei liest, sucht BS direkt im angegebenen Pfad
- | Vorteil | Nachteile |
|--------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------|
| Dateien auf entfernten, vernetzten Maschinen verlinken | zusätzlicher Aufwand<br/>eigener Plattenblock für Pfad |
| | Datei mit Pfadnamen muss gelesen werden, Pfad analysieren, Komponente bis I-Node verfolgen |
| | Falls in Unterverzeichnissen wird Datei evtl. mehrfach gefunden |
| | Bei Einspielung auf anderen Computer → Link wird zur Kopie der selben Datei |
## Log-basiertes Dateisystem (LFS)
- Schreibzugriffe sind effizienter als Lesezugriffe
- Schreibleistungs- und Fragmentierungsprobleme überwinden
- Schreibvorgänge werden protokolliert
- Mit schnelleren CPUs, größerem RAM wächst Platten-Cache schneller
- Viele Lesezugriffe direkt aus Platten-Cache
- Ohne Festplattenzugriffe
- Meiste Plattenzugriffe = Schreibzugriffe :)
- Probleme
- Schreibzugriffe meist in Stückchen → ineffektiv
- Abhängig von
- Spurwechselzeit ([seek](#seek) time)
- Latenzzeit (latency)
- Kommando-Latenz (controller overhead)
- Inkonsistenzen bei Systemabstürzen
- Lösungsansatz
- Alle noch ausstehenden im Speicher gepufferten Schreibaufträge regelmäßig sammeln
- An Ende des Logs schreiben
- Einzelnes Segment kann in beliebiger Reihenfolge I-Nodes, Verzeichnisblöcke und Datenblöcke enthalten
- Am Anfang Zusammenfassung über Inhalt
- Probleme Lösungsansatz
- Log wird ohne Reorganisation immer größer
- Bereinigungsvorgang wird benötigt
- Über alle Vorgänge Protokoll zu führen erfordert logistischen Aufwand
- LFS sind hochgradig inkompatibel zu bestehenden Dateisystemen
- können Inkonsistenz bei Systemabstürzen nicht abfangen
## Journaling
- mit Grundgedanken von [LFS](#log-basiertes-dateisystem-lfs) Robustheit DS erhöhen
- Log ist Protokoll über geplante Aktionen
- Bei Systemabsturz vor Beendigung einer geplanten Arbeit
- Bei Neustart im Log nachschauen, was gerade vor sich ging
- Vorgang sauber beenden
- Beispiel:
- _NTFS_, _ext3_, _macOS Extended_
- Für zusätzliche Zuverlässigkeit
- Datenbankkonzept der atomaren Transaktion
- Gruppe von Aktionen klammern
- Anfangstransaktion (begin transaction)
- Endtransaktion (end transaction)
- Dateisystem weiß, das es alle eingeklammerten oder keine ausführen muss
- ACID-Eigenschaften
- **Atomarität (Atomicity)**
- Transaktion wird als Ganzes behandelt
- alle oder keine Operationen in Transaktion ausführen
- Wenn eine fehlschlägt Rest rückgängig machen
- **Konsistenz (Consistency)**
- Transaktionen werden von einem in einen andern konsistenten Zustand überführt
- Nach Abschluss einer erfolgreichen Transaktion
- DB in Zusatnd, der Integritätsregeln entspricht
- **Isolation (Isolation)**
- mehrere gleichzeitige Transaktionen unabhängig, gleichzeitig ausführen
- **Dauerhaftigkeit (Durability)**
- einmal abgeschlossene Transaktion dauerhaft in DB gespeichert
- Änderung auch nach Systemabsturz / Neustart erhalten
## Virtuelle Dateisysteme (VFS)
- ![image_359.png](image_359.png)
- Abstraktionsschicht im BS
- dient zur Vereinheitlichung der Dateisysteme und deren Zugriffsmethoden
- Anwendungen können auf Dateien zugreifen
- ohne auf Details der zugrunde liegenden physischen Dateisysteme zu achten
- erleichtert Portabilität, flexiblere Verwaltung der Dateisystemressourcen
- Wenn System hochgefahren
- Wurzeldateisystem beim VFS registrieren
- Liste der Adressen von Funktionen dem VFS zur Verfügung stellen
- Entweder lange Aufruftabelle oder eine Tabelle pro VFS-Objekt
- VFS legt im RAM V-Nodes an
- weitere Dateisysteme jetzt oder während Ausführung