นงลักษณ์ พรมทอง และวิเชษฐ์ พลายมาศ การใช้งานระบบแฟ้ม File-System Implementation Chapter 12: File System Implementation File System Structure File System Implementation Directory Implementation Allocation Methods Free-Space Management Efficiency and Performance Recovery Log-Structured File Systems NFS วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 2 โครงสร้างระบบแฟ้ม File-System Structure File structure หน่วยของหน่วยเก็บเชงิ ตรรกะ (Logical storage unit) หน่วยรวมของข ้อมูลทีเ่ กีย ่ วข ้องกัน ระบบแฟ้ มเก็บอยูบ ่ นหน่วยเก็บรอง-ดิสก์ (secondary storage- disks) ระบบแฟ้ มถูกจัดเก็บเป็ นเลเยอร์ File control block – โครงสร ้างของหน่วยเก็บประกอบด ้วย ข ้อมูลเกีย ่ วกับแฟ้ ม วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 3 Layered File System วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 4 A Typical File Control Block วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 5 โครงสร้างระบบแฟ้มในหน่วยความจา In-Memory File System Structures ้ ภาพต่อไปนีใ้ ชแสดงถึ งโครงสร ้างทีจ ่ าเป็ นของระบบแฟ้ มที่ จัดเตรียมไว ้โดย OS Figure 12-3(a) อ ้างถึงการเปิ ดแฟ้ ม Figure 12-3(b) อ ้างถึงการอ่านแฟ้ ม วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 6 In-Memory File System Structures วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 7 ระบบแฟ้มเสมือน Virtual File Systems ้ Virtual File Systems (VFS) เป็ นวิธก ี ารใชงานระบบแฟ้ มเชงิ วัตถุ ่ นต่อประสาน VFS อนุญาตให ้ระบบทีเ่ หมือนกันสามารถเรียกสว (Application Program Interface-API) ทีใ่ ชส้ าหรับระบบแฟ้ ม ประเภททีแ ่ ตกต่างกันได ้ ่ นต่อประสานแบบระบบแฟ้ มเสมือน (VFS API ถือเป็ นสว interface), มากกว่าจะระบุให ้เป็ นระบบแฟ้ มชนิดใดๆ วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 8 Schematic View of Virtual File System วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 9 Directory Implementation ้ ื่ แฟ้ มพร ้อมพอยน์เตอร์ รายการแบบเสนตรง (Linear list) ของชอ ทีช ่ ไี้ ปยังบล็อกข ้อมูล (data blocks) โปรแกรมอย่างง่าย ้ ใชเวลาในการ execute ้ ตารางแฮช (Hash Table) – รยการแบบเสนตรงพร ้อมโครงสร ้าง ข ้อมูลแบบแฮช (hash data structure) ลดเวลาค ้นหา directory ื่ แฮชอยู่ การชนกัน (collisions) – สถานการณ์ท ี่ 2 แฟ้ ม มีชอ ตาแหน่งเดียวกัน ขนาดคงที่ (fixed size) วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 10 วิธก ี ารจ ัดสรร Allocation Methods วิธก ี ารจัดสรร หมายถึง บล็อกของดิสก์จะถูกจัดสรรสาหรับแฟ้ ม ต่างๆ ได ้อย่างไร การจัดสรรแบบต่อเนือ ่ ง (Contiguous allocation) ื่ มโยง (Linked allocation) การจัดสรรแบบเชอ การจัดสรรแบบดัชนี (Indexed allocation) วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 11 การจ ัดสรรแบบต่อเนือ ่ ง Contiguous Allocation แต่ละแฟ้ มจะอยูก ่ น ั เป็ นชุดของบล็อกทีเ่ รียงต่อเนือ ่ งกันบนดิสก์ ง่าย – ต ้องการเพียงบล็อกตาแหน่งเริม ่ ต ้น (block #) และความ ยาวของบล็อก (number of blocks) เท่านัน ้ ่ (Random access) การเข ้าถึงแบบสุม ้ จะมีพน ื้ ทีใ่ ชการไม่ ได ้มาก เกิดปั ญหาการจัดสรรหน่วยเก็บแบบ พลวัต (dynamic storage-allocation problem) แฟ้ มไม่สามารถขยายได ้ (Files cannot grow) วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 12 Contiguous Allocation of Disk Space วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 13 ระบบขยาย Extent-Based Systems มีระบบแฟ้ มใหม่ๆ จานวนมาก (I.e. Veritas File System) ใช ้ โครงสร ้างการจัดสรรแบบต่อเนือ ่ ง Extent-based file systems จัดสรรบล็อกของดิสก์แบบขยาย (extents) ่ นขยาย (extent) คือขยายบล็อกของดิสก์แบบต่อเนือ สว ่ ง โดย สว่ นทีถ ่ ก ู ขยายคือการจัดสรรแฟ้ ม แฟ้ มจะประกอบด ้วยสว่ นขยาย (extents) จานวนหนึง่ หรือมากกว่าหนึง่ วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 14 ื่ มโยง การจ ัดสรรแบบเชอ Linked Allocation ื่ มโยง (linked list) ของบล็อกดิสก์ แต่ละแฟ้ มจะมีรายการเชอ โดยทีบ ่ ล็อกอาจเป็ นการแบ่งสว่ นใดๆก็ได ้บนดิสก์ block = pointer วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 15 Linked Allocation (Cont.) ง่าย– ต ้องการเพียงทีอ ่ ยูเ่ ริม ่ ต ้น (starting address) ระบบการจัดการพืน ้ ทีว่ า่ ง (Free-space management system) – ไม่มพ ี น ื้ ทีว่ า่ งโดยเปล่าประโยชน์ ่ (random access) ไม่รองรับการเข ้าแบบสุม ่ (Mapping) ต ้องแปลงสง Q LA/511 R บล็อกทีเ่ ข ้าถึงคือ Qth block ในสายโยงใยของบล็อกทีแ ่ ทนแฟ้ ม Displacement into block = R + 1 File-allocation table (FAT) – การจัดสรรพืน ้ ทีว่ า่ งดิสก์ (disk-space ้ allocation) ดังกล่าวนีม ้ ใี ชโดย MS-DOS และ OS/2. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 16 Linked Allocation วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 17 File-Allocation Table วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 18 การจ ัดสรรแบบด ัชนี Indexed Allocation นา pointers ทัง้ หมดเข ้าไปเก็บไว ้ด ้วยกันใน index block. มุมมองเชงิ ตรรกะ (Logical view) index table วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 19 Example of Indexed Allocation วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 20 Indexed Allocation (Cont.) ต ้องมีตารางดัชนี (index table) ่ (Random access) เข ้าถึงแบบสุม การเข ้าถึงแบบพลวัต (Dynamic access) โดยไม่มก ี ารแตก กระจายแบบภายนอก (external fragmentation), แต่จะมี overhead ของ index block การ Mapping จากเชงิ ตรรกะเป็ นเชงิ กายภาพในแฟ้ มหนึง ่ ๆ สูงสุดขนาดไม่เกิน 256K words และ block size of 512 words ้ ยง 1 block สาหรับ index table ต ้องใชเพี Q LA/512 R Q = displacement into index table R = displacement into block วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 21 Indexed Allocation – Mapping (Cont.) Mapping จากเชงิ ตรรกะเป็ นเชงิ กายภาพในแฟ้ มหนึง ่ ๆ นัน ้ ไม่ผก ู ติดกับความยาว (block size of 512 words) โครงสร ้างแบบโยง (Linked scheme) – Link blocks ของ index table (ไม่จากัดขนาด) Q1 LA / (512 x 511) R1 Q1 = block of index table R1 is used as follows: Q2 R1 / 512 R2 Q2 = displacement into block of index table R2 displacement into block of file: วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 22 Indexed Allocation – Mapping (Cont.) ดัชนีแบบ 2 ระดับ (Two-level index) ขนาดไฟล์สง ู สุดคือ 5123 Q1 LA / (512 x 512) R1 Q1 = displacement into outer-index R1 is used as follows: Q2 R1 / 512 R2 Q2 = displacement into block of index table R2 displacement into block of file: วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 23 Indexed Allocation – Mapping (Cont.) outer-index index table วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 24 file Combined Scheme: UNIX (4K bytes per block) วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 25 ้ ทีว่ า การจ ัดการพืน ่ ง Free-Space Management Bit vector (n blocks) 0 1 2 n-1 bit[i] = … 0 block[i] free 1 block[i] occupied Block number calculation (number of bits per word) * (number of 0-value words) + offset of first 1 bit วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 26 Free-Space Management (Cont.) Bit map ต ้องการพืน ้ ทีเ่ พิม ่ เติม Example: block size = 212 bytes disk size = 230 bytes (1 gigabyte) n = 230/212 = 218 bits (or 32K bytes) ง่ายต่อแฟ้ มแบบต่อเนือ ่ ง Linked list (free list) หาพืน ้ ทีต ่ อ ่ เนือ ่ งได ้ยาก ไม่มพ ี น ื้ ทีไ่ ร ้ประโยชน์ Grouping Counting วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 27 Free-Space Management (Cont.) ต ้องมีการป้ องกัน (protect) Pointer ไปยังรายการทีว่ า ่ ง (free list) Bit map ต ้องเก็บบนดิสก์ สาเนาบนหน่วยความจาและบนดิสก์อาจคนละชุด ไม่ยน ิ ยอมให ้เกิดสถานการณ์สาหรับ block[i] โดยที่ bit[i] = 1 ในหน่วยความจา และ bit[i] = 0 บนดิสก์ Solution: Set bit[i] = 1 in disk. Allocate block[i] Set bit[i] = 1 in memory วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 28 Linked Free Space List on Disk วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 29 ิ ธิภาพ ความสะดวกและประสท Efficiency and Performance ความสะดวก (Efficiency) ขึน ้ อยูก ่ บ ั : อัลกอริธม ึ ในการจัดสรรดิสก์และไดเรกทอรี ชนิดของข ้อมูลทีเ่ ก็บในรายการไดเรกทอรของแฟ้ ม (file’s directory entry) ิ ธิภาพ (Performance) ประสท ่ นของหน่วยความจาสาหรับบล็อก ดิสก์แคช (disk cache) – แยกสว ้ ทีถ ่ ก ู ใชงานบ่ อย free-behind and read-ahead – เป็ นเทคนิคในการเข ้าแบบลาดับ ได ้เหมาะทีส ่ ด ุ (optimize sequential access) ิ ธิภาพของพีซโี ดยสร ้าง dedicating section การปรับปรุงประสท ของหน่วยความจาเหมือนกับดิสก์เสมือน หรือแรมดิสก์ (virtual disk, or RAM disk) วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 30 Various Disk-Caching Locations วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 31 Page Cache ้ ้ เพจแคช (page cache) ใชมากกว่ าบล็อกดิสก์โดยใชเทคนิ ค virtual memory Memory-mapped I/O ใช ้ page cache Routine I/O ผ่าน file system ใช ้ buffer (disk) cache ่ าพในหน ้าถัดไป จะนาไปสูภ วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 32 I/O Without a Unified Buffer Cache วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 33 Unified Buffer Cache ้ A unified buffer cache ใชเพจแคชเดี ยวกันสาหรับเป็ นแคชทัง้ หน่วยความจา memory-mapped pages และ ordinary file system I/O วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 34 I/O Using a Unified Buffer Cache วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 35 การกูค ้ น ื Recovery การตรวจสอบความสอดคล ้องกัน (Consistency checking) – เปรียบเทียบข ้อมูลในโครงสร ้างไดเรกทอรีด ้วยบล็อกข ้อมูลบน ดิสก์ และพยายามแก ้ไขความไม่สอดคล ้องกัน ใช ้ system programs ในการ back up สารองข ้อมูลจากดิสก์ ไปยังอุปกรณ์หน่วยเก็บอืน ่ ๆ (floppy disk, magnetic tape). ี หาย โดยเรียกคืน restoring ข ้อมูลจาก กู ้แฟ้ มหรือดิสก์ทเี่ สย ระบบสารอง วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 36 Log Structured File Systems Log structured (หรือ journaling) ทาการบันทึกระบบแฟ้ มที่ ถูกปรับปรุงแต่ละครัง้ ไปยังระบบแฟ้ มในลักษณะของธุรกรรม (transaction) ทุกธุรกรรมจะถูกเขียนลงบน log ธุรกรรมหนึง ่ ๆ จะบันทึกว่า สาเร็จ (committed) หลังจากทีถ ่ ก ู เขียนบน log เสร็จแล ้ว อย่างไรก็ตาม file system อาจปรับปรุงยังไม่แล ้วเสร็จก็ได ้ ธุรกรรมใน log เป็ นถูกเขียนแบบไม่พร ้อมกัน (asynchronously written) บน file system เมือ ่ file system ถูกแก ้ไข ธุรกรรมก็ จะถูกลบออกจาก log ถ ้าระบบแฟ้ มล่ม (crashes) ธุรกรรมทีย ่ ังเหลืออยูใ่ น log จต ้อง ้ ยังคงใชการต่ อได ้ วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 37 The Sun Network File System (NFS) An implementation and a specification of a software system for accessing remote files across LANs (or WANs). The implementation is part of the Solaris and SunOS operating systems running on Sun workstations using an unreliable datagram protocol (UDP/IP protocol and Ethernet. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 38 NFS (Cont.) Interconnected workstations viewed as a set of independent machines with independent file systems, which allows sharing among these file systems in a transparent manner. A remote directory is mounted over a local file system directory. The mounted directory looks like an integral subtree of the local file system, replacing the subtree descending from the local directory. Specification of the remote directory for the mount operation is nontransparent; the host name of the remote directory has to be provided. Files in the remote directory can then be accessed in a transparent manner. Subject to access-rights accreditation, potentially any file system (or directory within a file system), can be mounted remotely on top of any local directory. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 39 NFS (Cont.) NFS is designed to operate in a heterogeneous environment of different machines, operating systems, and network architectures; the NFS specifications independent of these media. This independence is achieved through the use of RPC primitives built on top of an External Data Representation (XDR) protocol used between two implementationindependent interfaces. The NFS specification distinguishes between the services provided by a mount mechanism and the actual remotefile-access services. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 40 Three Independent File Systems วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 41 Mounting in NFS Mounts Cascading mounts วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 42 NFS Mount Protocol Establishes initial logical connection between server and client. Mount operation includes name of remote directory to be mounted and name of server machine storing it. Mount request is mapped to corresponding RPC and forwarded to mount server running on server machine. Export list – specifies local file systems that server exports for mounting, along with names of machines that are permitted to mount them. Following a mount request that conforms to its export list, the server returns a file handle—a key for further accesses. File handle – a file-system identifier, and an inode number to identify the mounted directory within the exported file system. The mount operation changes only the user’s view and does not affect the server side. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 43 NFS Protocol Provides a set of remote procedure calls for remote file operations. The procedures support the following operations: searching for a file within a directory reading a set of directory entries manipulating links and directories accessing file attributes reading and writing files NFS servers are stateless; each request has to provide a full set of arguments. Modified data must be committed to the server’s disk before results are returned to the client (lose advantages of caching). The NFS protocol does not provide concurrency-control mechanisms. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 44 Three Major Layers of NFS Architecture UNIX file-system interface (based on the open, read, write, and close calls, and file descriptors). Virtual File System (VFS) layer – distinguishes local files from remote ones, and local files are further distinguished according to their file-system types. The VFS activates file-system-specific operations to handle local requests according to their file-system types. Calls the NFS protocol procedures for remote requests. NFS service layer – bottom layer of the architecture; implements the NFS protocol. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 45 Schematic View of NFS Architecture วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 46 NFS Path-Name Translation Performed by breaking the path into component names and performing a separate NFS lookup call for every pair of component name and directory vnode. To make lookup faster, a directory name lookup cache on the client’s side holds the vnodes for remote directory names. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 47 NFS Remote Operations Nearly one-to-one correspondence between regular UNIX system calls and the NFS protocol RPCs (except opening and closing files). NFS adheres to the remote-service paradigm, but employs buffering and caching techniques for the sake of performance. File-blocks cache – when a file is opened, the kernel checks with the remote server whether to fetch or revalidate the cached attributes. Cached file blocks are used only if the corresponding cached attributes are up to date. File-attribute cache – the attribute cache is updated whenever new attributes arrive from the server. Clients do not free delayed-write blocks until the server confirms that the data have been written to disk. วิเชษฐ ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ัติการ (OS: Operating Systems) | การใช ้งานระบบแฟ้ ม (File-System Implementation) | 48