Λειτουργικά Συστήματα 12η Διάλεξη – Διαχείριση Αρχείων

Αρχεία και Συστήματα Αρχείων (1/3) Όσον αφορά στους χρήστες, ένα από τα πιο σημαντικά τμήματα του ΛΣ είναι το σύστημα αρχείων, το οποίο τους επιτρέπει να δημιουργούν συλλογές δεομένων, που ονομάζονται αρχεία και διαθέτουν ιδιότητες όπως: Μακροπρόθεσμη ύπαρξη: αποθηκεύονται στο δίσκο ή σε άλλα μέσα δευτερεύουσας αποθήκευσης Διαμοιρασμός μεταξύ διεργασιών: τα αρχεία έχουν ονόματα και μπορούν να έχουν σχετικά δικαιώματα πρόσβασης που επιτρέπουν τον ελεγχόμενο διαμοιρασμό τους Δομή: ανάλογα με το σύστημα αρχείων, το αρχείο μπορεί να έχει εσωτερική δομή που εξυπηρετεί συγκεκριμένες εφαρμογές. Επίσης, τα αρχεία μπορούν να οργανωθούν σε ιεραρχικές ή και πιο πολύπλοκες δομές, ώστε να αντικατοπτρίζεται η σχέση μεταξύ αρχείων

Αρχεία και Συστήματα Αρχείων (2/3) Οι συνήθεις λειτουργίες που μπορούν να εκτελεστούν στα αρχεία είναι: Δημιουργία: ορίζεται ένα νέο αρχείο και τοποθετείται εντός της δομής των αρχείων Διαγραφή: το αρχείο αφαιρείται από τη δομή αρχείων και καταστρέφεται Άνοιγμα: η διεργασία ορίζει ένα υφιστάμενο αρχείο ως «ανοικτό» και έχει τη δυνατότητα να εκτελέσει λειτουργίες στο αρχείο αυτό Κλείσιμο: κλείσιμο του αρχείου και ενημέρωση της αντίστοιχης διεργασίας, έτσι ώστε αυτή να μην είναι σε θέση να εκτελεί λειτουργίες στο αρχείο, μέχρι να το ανοίξει εκ νέου Ανάγνωση: η διεργασία διαβάζει ένα ή όλα τα τμήματα των δεδομένων του αρχείου Εγγραφή: η διεργασία ενημερώνει το αρχείο, είτε προσθέτοντας νέα δεδομένα τα οποία αυξάνουν το μέγεθος του αρχείου είτε τροποποιώντας τις τιμές υφιστάμενων στοιχείων δεδομένων του αρχείου

Αρχεία και Συστήματα Αρχείων (3/3) Συνήθως, το σύστημα αρχείων διατηρεί σύνολο ιδιοτήτων που σχετίζονται με το αρχείο, όπως: Κάτοχος Χρόνος δημιουργίας Χρόνος τελευταίας τροποποίησης Προνόμια πρόσβασης

Δομή Αρχείων (1/2) Τέσσερις είναι οι έννοιες που χρησιμοποιούνται όταν εξετάζουμε τα αρχεία: Πεδίο: αποτελεί το βασικό στοιχείο των δεδομένων και περιέχει μια τιμή. Χαρακτηρίζεται από το μήκος του (είτε σταθερό είτε μεταβλητό) και τον τύπο δεδομένων του Εγγραφή: αποτελεί συλλογή σχετικών πεδίων που μπορεί να αντιμετωπιστεί από κάποιο πρόγραμμα εφαρμογής ως μονάδα. Η εγγραφή έχει μεταβλητό μήκος, στην περίπτωση που αποτελείται από πεδία μεταβλητού μήκους ή στην περίπτωση που μπορεί να μεταβάλλεται το πλήθος των πεδίων της

Δομή Αρχείων (2/2) …: Αρχείο: αποτελεί συλλογή παρόμοιων εγγραφών. Το αρχείο αντιμετωπίζεται από τους χρήστες και τις εφαρμογές ως μια οντότητα και μπορεί να γίνει αναφορά σε αυτό με βάση το όνομά του. Περιορισμοί ελέγχου πρόσβασης συνήθως εφαρμόζονται σε αυτό το επίπεδο Βάση δεδομένων: αποτελεί συλλογή σχετικών δεδομένων. Σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιούνται από πλήθος διαφορετικών εφαρμογών

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (1/6) Προκειμένου να γίνει αντιληπτό το φάσμα των αρμοδιοτήτων της διαχείρισης των αρχείων θα πρέπει να εξεταστεί η ακόλουθη αναπαράσταση της συνηθισμένης οργάνωσης λογισμικού

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (2/6) Στο κατώτερο επίπεδο, οι οδηγοί συσκευών επικοινωνούν άμεσα είτε με περιφερειακές συσκευές είτε με τους ελεγκτές τους ή τα κανάλια τους Σε ότι αφορά τις λειτουργίες αρχείων, οι συνήθεις συσκευές που ελέγχονται είναι οι δίσκοι και οι οδηγοί ταινίας Οι οδηγοί συσκευών συνήθως θεωρούνται τμήμα του ΛΣ

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (3/6) Το επόμενο επίπεδο, το βασικό σύστημα αρχείων ή το φυσικό επίπεδο Ε/Ε, αποτελεί την πρωτεύουσα διεπαφή ενός υπολογιστικού συστήματος με το εξωτερικό περιβάλλον Ασχολείται με blocks δεδομένων, δηλαδή φροντίζει την τοποθέτηση αυτών των blocks στη συσκευή δευτερεύουσας αποθήκευσης και για την απομόνωση τους στην κύρια μνήμη Δεν κατανοεί ούτε τα περιεχόμενα των δεδομένων ούτε τη δομή των εμπλεκόμενων αρχείων Το βασικό σύστημα αρχείων συνήθως θεωρείται τμήμα του ΛΣ

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (4/6) Ο βασικός επόπτης Ε/Ε είναι υπεύθυνος για όλες τις αρχικοποιήσεις και τους τερματισμούς Ε/Ε των αρχείων → διατηρούνται δομές ελέγχου που ασχολούνται με την Ε/Ε συσκευής, τη χρονοδρομολόγηση και την κατάσταση αρχείου Επιλέγει τη συσκευή στην οποία πρόκειται να εκτελεστεί η Ε/Ε αρχείου, βασιζόμενος στο συγκεκριμένο επιλεγμένο αρχείο και ασχολείται με τη χρονοδρομολόγηση δίσκου και την προσπέλαση ταινίας, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης Ο βασικός επόπτης Ε/Ε αποτελεί τμήμα του ΛΣ

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (5/6) Η λογική Ε/Ε δίνει σε χρήστες και εφαρμογές τη δυνατότητα προσπέλασης των εγγράφων → ενώ το βασικό σύστημα αρχείων ασχολείται με blocks δεδομένων, η μονάδα λογικής Ε/Ε ασχολείται με εγγραφές αρχείων Η λογική Ε/Ε παρέχει τη δυνατότητα Ε/Ε εγγραφών γενικού σκοπού, ενώ διατηρεί και τα βασικά δεδομένα των αρχείων

Αρχιτεκτονική Συστήματος Αρχείων (6/6) Το επίπεδο του συστήματος αρχείων που συνήθως βρίσκεται πιο κοντά στο χρήστη αναφέρεται ως μέθοδος πρόσβασης και παρέχει τυποποιημένη διεπαφή ανάμεσα στις εφαρμογές από τη μια πλευρά και τα συστήματα αρχείων και τις συσκευές που διατηρούν τα δεδομένα από την άλλη Διαφορετικές μέθοδοι πρόσβασης αντικατοπτρίζουν διαφορετικές δομές αρχείων και διαφορετικούς τρόπους προσπέλασης και επεξεργασίας δεδομένων (θα αναφερθούν στις επόμενες διαφάνειες)

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (1/7) Βασικά κριτήρια επιλογής οργάνωσης αρχείων: Μικρός χρόνος πρόσβασης Ευκολία ενημέρωσης Οικονομία στην αποθήκευση Απλή συντήρηση Αξιοπιστία Η σχετική προτεραιότητα των κριτηρίων αυτών εξαρτάται από τις εφαρμογές που χρησιμοποιούν το αρχείο Τα κριτήρια αυτά μπορεί να έρχονται σε σύγκρουση μεταξύ τους

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (2/7) Υπάρχει πλήθος εναλλακτικών οργανώσεων αρχείου Οι πέντε βασικότερες είναι: Σωρός Σειριακό αρχείο Σειριακό αρχείο ευρετηρίου Αρχείο ευρετηρίου Άμεσο αρχείο ή αρχείο κατακερματισμού

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (3/7) Σωρός: Πιο απλή οργάνωση αρχείων Τα δεδομένα συλλέγονται με τη σειρά που καταφθάνουν Οι εγγραφές μπορεί να έχουν διαφορετικά πεδία ή παρόμοια πεδία με διαφορετική σειρά Κάθε πεδίο πρέπει να περιγράφει τον εαυτό του, περιλαμβάνοντας τόσο το όνομα του όσο και κάποια τιμή Το μήκος των πεδίων καθορίζεται έμμεσα με τη βοήθεια διαχωριστικών συμβόλων, ορίζεται ρητά σε κάποιο υποπεδίο ή λαμβάνει κάποια γνωστή προεπιλεγμένη τιμή του συγκεκριμένου τύπου πεδίου Επειδή το αρχείο σωρού δε διαθέτει κάποια δομή, η προσπέλαση των εγγράφων γίνεται μέσω εξαντλητικής αναζήτησης Ο τύπος αυτός είναι ακατάλληλος για τις περισσότερες περιπτώσεις και χρησιμοποιείται μόνο όταν τα δεδομένα συλλέγονται και αποθηκεύονται πριν την επεξεργασία ή όταν τα δεδομένα δεν είναι εύκολο να οργανωθούν

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (4/7) Σειριακό Αρχείο: Η πιο κοινή μορφή δομής αρχείου Όλες οι εγγραφές έχουν ίδιο μήκος και αποτελούνται από το ίδιο πλήθος πεδίων σταθερού μήκους, ταξινομημένων σε συγκεκριμένη σειρά Επειδή το μήκος και η θέση κάθε πεδίου είναι γνωστά, χρειάζεται να αποθηκεύονται μόνο οι τιμές των πεδίων Ένα συγκεκριμένο πεδίο, συνήθως το πρώτο, κάθε εγγραφής αναφέρεται ως πεδίο κλειδί, το οποίο προσδιορίζει μοναδικά κάθε εγγραφή και βάση αυτού γίνεται η ταξινόμηση των εγγραφών Η προσπέλαση του αρχείου επιβάλλει σειριακή αναζήτηση, μέχρι να εντοπιστεί το κλειδί που αναζητείται Οι νέες εγγραφές τοποθετούνται σε ξεχωριστό αρχείο σωρού, το οποίο ονομάζεται αρχείο καταγραφής και, ανά περιόδους, εκτελείται ενημέρωση δέσμης που συγχωνεύει το αρχείο καταγραφής με το πρωτεύον αρχείο Εναλλακτική λύση αποτελεί η οργάνωση του σειριακού αρχείου ως συνδεδεμένη λίστα

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (5/7) Σειριακό Αρχείο Ευρετηρίου: Αποτελεί δημοφιλή προσέγγιση αντιμετώπισης των μειονεκτημάτων των σειριακών αρχείων Και σε αυτή τη μορφή, οι εγγραφές είναι οργανωμένες σε σειρά με βάση το πεδίο κλειδί Δύο νέα χαρακτηριστικά: Ένα ευρετήριο αρχείου για την υποστήριξη της τυχαίας προσπέλασης Ένα αρχείο υπερχείλισης, όπου προστίθεται κάθε νέα εγγραφή Το σειριακό αρχείο ευρετηρίου μειώνει σε μεγάλο βαθμό το χρόνο που απαιτείται για την προσπέλαση μιας εγγραφής, χωρίς να θυσιάζεται η σειριακή φύση του αρχείου Στην πιο απλή μορφή, χρησιμοποιείται ένα επίπεδο δεικτοδότησης, αν και για να επιτευχθεί μεγαλύτερη αποδοτικότητα κατά την προσπέλαση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλά επίπεδα δεικτοδότησης Παράδειγμα αποτελούν τα αρχεία μισθοδοσίας

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (6/7) Αρχείο Ευρετηρίου: Σε μερικές εφαρμογές, οι δύο μορφές σειριακών αρχείων είναι ανεπαρκείς, καθώς χρειάζεται μεγαλύτερη ευελιξία στην αποτελεσματική αναζήτηση, π.χ. αναζήτηση με βάση κάποιας άλλης ιδιότητας, διαφορετικής από το πεδίο κλειδί Επιπλέον θα πρέπει να μπορούν να χρησιμοποιηθούν εγγραφές μεταβλητού μήκους Προκειμένου να επιτευχθεί αυτού του είδους η ευελιξία, χρειάζεται δομή που χρησιμοποιεί πολλαπλά ευρετήρια, ένα για κάθε τύπο που μπορεί να αποτελεί αντικείμενο αναζήτησης Χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές όπου είναι κρίσιμη η έγκαιρη αναζήτηση πληροφοριών και όπου σπάνια πραγματοποιείται εξαντλητική επεξεργασία των δεδομένων (π.χ. κρατήσεις αεροπορικών εισιτηρίων και έλεγχος αποθεμάτων)

Οργάνωση και Προσπέλαση Αρχείων (7/7) Άμεσο Αρχείο ή Αρχείο Κατακερματισμού: Αξιοποιεί τη δυνατότητα των δίσκων να προσπελάζουν άμεσα κάθε block γνωστής διεύθυνσης Και σε αυτό τον τύπο απαιτείται ένα πεδίο κλειδί για κάθε εγγραφή, ωστόσο δεν υπάρχει η έννοια της σειριακής ταξινόμησης Τα άμεσα αρχεία χρησιμοποιούνται συχνά όπου απαιτείται γρήγορη πρόσβαση, όπου χρησιμοποιούνται εγγραφές σταθερού μήκους και όπου γίνεται προσπέλαση μιας εγγραφής τη φορά, π.χ. κατάλογοι, λίστες ονομάτων, πίνακες τιμολόγησης, κ.ά.

Β- Δέντρα Στην περίπτωση των μεγάλων αρχείων ή βάσεων δεδομένων, η χρήση ενός σειριακού αρχείου με ευρετήρια προς το πρωτεύον κλειδί δεν προσφέρει ταχεία προσπέλαση Συνήθως επιλέγεται μια δενδρική δομή, στην οποία όμως θα πρέπει να επιβληθούν κανόνες ώστε να μη καταλήξουμε σε ανισομερή δομή Η κατάλληλη δομή είναι τα Β-δέντρα, τα οποία έχουν καταστεί πρότυπη μέθοδος οργάνωσης των ευρετηρίων των βάσεων δεδομένων και χρησιμοποιούνται συνήθως στα συστήματα αρχείων των ΛΣ

Διαμοιρασμός Αρχείων (1/6) Σε συστήματα πολλαπλών χρηστών, υπάρχει σχεδόν πάντα η απαίτηση της δυνατότητας διαμοιρασμού αρχείων σε πλήθος χρηστών Δύο ζητήματα προκύπτουν: Τα δικαιώματα πρόσβασης Η διαχείριση της ταυτόχρονης πρόσβασης Το σύστημα αρχείων πρέπει να παρέχει πλήθος επιλογών, έτσι ώστε να ελέγχεται ο τρόπος προσπέλασης ενός συγκεκριμένου αρχείου Συνήθως, παραχωρούνται συγκεκριμένα δικαιώματα πρόσβασης σε ένα αρχείο σε χρήστες ή ομάδες χρηστών

Διαμοιρασμός Αρχείων (2/6) Αντιπροσωπευτικά δικαιώματα πρόσβασης: Κανένα: ο χρήστης δεν έχει καμία ενημέρωση και πρόσβαση στο αρχείο αυτό, καθώς και δε μπορεί να διαβάσει τον κατάλογο χρήστη που περιλαμβάνει το αρχείο αυτό Γνώσης: ο χρήστης μπορεί να διαπιστώσει την ύπαρξη κάποιου αρχείου, καθώς και τον κάτοχό του. Είναι σε θέση να ζητήσει από τον κάτοχο επιπρόσθετα δικαιώματα πρόσβασης Εκτέλεσης: ο χρήστης μπορεί να φορτώσει και να εκτελέσει κάποιο πρόγραμμα, όμως δεν μπορεί να το αντιγράψει Ανάγνωση: ο χρήστης μπορεί να διαβάσει το αρχείο, να το αντιγράψει και να το εκτελέσει. Μερικά συστήματα είναι σε θέση να επιβάλλουν διαχωρισμό ανάμεσα στην προβολή και την αντιγραφή

Διαμοιρασμός Αρχείων (3/6) …: Προσθήκη: ο χρήστης μπορεί να προσθέσει δεδομένα στο αρχείο, αλλά δεν μπορεί να τροποποιήσει ή να διαγράψει τα περιεχόμενά του Ενημέρωση: ο χρήστης μπορεί να τροποποιήσει, να διαγράψει και να προσθέσει δεδομένα στο αρχείο Τροποποίηση προστασίας: ο χρήστης μπορεί να αλλάζει τα δικαιώματα πρόσβασης που έχουν παραχωρηθεί σε άλλους χρήστες. Για την αποφυγή της εσφαλμένης χρήσης του μηχανισμού αυτού, ο κάτοχος αρχείου συνήθως είναι σε θέση να καθορίζει ποια δικαιώματα μπορούν να τροποποιηθούν από το δικαιούχο των δικαιωμάτων αυτών Διαγραφή: ο χρήστης μπορεί να διαγράψει το αρχείο από το σύστημα αρχείων

Διαμοιρασμός Αρχείων (4/6) Τα δικαιώματα αυτά μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελούν μια ιεραρχία, όπου τα δικαιώματα κάθε επιπέδου περιλαμβάνουν και τα δικαιώματα των προηγούμενων επιπέδων Ένας χρήστης ανακηρύσσεται κάτοχος ενός δεδομένου αρχείου και συνήθως πρόκειται για αυτόν που το δημιούργησε Ο κάτοχος διαθέτει όλα τα παραπάνω δικαιώματα και μπορεί να παραχωρήσει δικαιώματα σε άλλους

Διαμοιρασμός Αρχείων (5/6) Κλάσεις Χρηστών: Συγκεκριμένοι Χρήστες: πρόκειται για μεμονωμένους χρήστες που προσδιορίζονται με βάση την ταυτότητά τους Ομάδες Χρηστών: σύνολο χρηστών που δεν ορίζονται σε ατομικό επίπεδο. Το σύστημα πρέπει να διαθέτει κάποιο τρόπο καταγραφής των μελών των ομάδων χρηστών Όλοι: πρόκειται για όλους τους χρήστες που έχουν πρόσβαση στο σύστημα – δημόσια αρχεία

Διαμοιρασμός Αρχείων (6/6) Ταυτόχρονη Πρόσβαση: Όταν παραχωρείται πρόσβαση προσθήκης ή ενημέρωσης ενός αρχείου σε περισσότερους χρήστες, το ΛΣ θα πρέπει να επιβάλλει έλεγχο: Μια δυναμική προσέγγιση είναι το κλείδωμα ολόκληρου του αρχείου από κάποιο χρήστη, όταν αυτό πρόκειται να ενημερωθεί Μια πιο ήπια προσέγγιση είναι το κλείδωμα μεμονωμένων εγγραφών κατά τη διάρκεια των ενημερώσεων

Βιβλιογραφία Stallings, W. (2017). Λειτουργικά Συστήματα: Αρχές Σχεδίασης. Εκδόσεις Τζιόλα: Θεσσαλονίκη