|
|
Концепции Windows NT. Архитектура ядра NT, защищенные подсистемы (Win 32, Win 16, DOS, OS/2, POSIX).(9)Файловая система S5fs. Суперблок. Индексные дескрипторы. Имена файлов. Недостатки и ограничения. Файловая система s5fs занимает раздел диска и состоит из трех основных компонентов, как показано на рис. 3.2.
Суперблок (superblock). Содержит общую информацию о файловой системе, например, об ее архитектуре, общем числе блоков и индексных дескрипторов, или метаданных (inode). Массив индексных дескрипторов (ilist). Содержит метаданные всех файлов файловой системы. Индексный дескриптор содержит статусную информацию о файле и указывает на расположение данных этого файла. Ядро обращается к inode по индексу в массиве ilist. Один inode является корневым (root) inode файловой системы, через него обеспечивается доступ к структуре каталогов и файлов после монтирования файловой системы. Размер массива ilist является фиксированным и задается при создании файловой системы. Таким образом, файловая система s5fs имеет ограничение по числу файлов, которые могут храниться в ней, независимо от размера этих файлов. Блоки хранения данных. Данные обычных файлов и каталогов хранятся в блоках. Обработка файла осуществляется через inode, содержащего ссылки на блоки данных. Блоки хранения данных занимают большую часть дискового раздела, и их число определяет максимальный суммарный объем файлов данной файловой системы. Размер блока кратен 512 байтам, например файловая система S51K SCO UNIX использует размер блока в 1 Кбайт (отсюда и название). Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных компонентов. Суперблок Суперблок содержит информацию, необходимую для монтирования и управления работой файловой системы в целом (например, для размещения новых файлов). В каждой файловой системе существует только один суперблок, который располагается в начале раздела. Суперблок считывается в память при монтировании файловой системы и находится там до ее отключения (размонтирования). · Суперблок содержит следующую информацию: · Тип файловой системы (s_type) · Размер файловой системы в логических блоках, включая сам суперблок, ilist и блоки хранения данных (s_fsize) · Размер массива индексных дескрипторов (s_isize) · Число свободных блоков, доступных для размещения (s_tfree) · Число свободных inode, доступных для размещения (s_t inode) · Флаги (флаг модификации s_fmod, флаг режима монтирования s_fronly) · Размер логического блока (512, 1024, 2048) · Список номеров свободных inode · Список адресов свободных блоков Поскольку число свободных inode и блоков хранения данных может быть значительным, хранение двух последних списков целиком в суперблоке непрактично. Например, для индексных дескрипторов хранится только часть списка. Когда число свободных inode в этом списке приближается к 0 (zero), ядро просматривает ilist и вновь формирует список свободных inode. Для этого ядро анализирует поле di_mode индексного дескриптора, которое равно 0 у свободных inode. К сожалению, такой подход неприменим в отношении свободных блоков хранения данных, поскольку по содержимому блока нельзя определить, свободен он или нет. Поэтому необходимо хранить список адресов свободных блоков целиком. Список адресов свободных блоков может занимать несколько блоков хранения данных, но суперблок содержит только один блок этого списка. Первый элемент этого блока указывает на блок, хранящий продолжение списка и т. д., как это показано на рис. 3.2. Выделение свободных блоков для размещения файла производится с конца списка суперблока. Когда в списке остается единственный элемент, ядро интерпретирует его как указатель на блок, содержащий продолжение списка. В этом случае содержимое этого блока считывается в суперблок и блок становится свободным. Такой подход позволяет использовать дисковое пространство под списки, пропорциональное свободному месту в файловой системе. Другими словами, когда свободного места практически не остается, список адресов свободных блоков целиком помещается в суперблоке. Индексные дескрипторы Индексный дескриптор, или inode, содержит информацию о файле, необходимую для обработки данных, т. е. метаданные файла. Каждый файл ассоциирован с одним inode, хотя может иметь несколько имен в файловой системе, каждое из которых указывает на один и тот же inode. Индексный дескриптор не содержит: · имени файла, которое содержится в блоках хранения данных каталога; · содержимого файла, которое размещено в блоках хранения данных. При открытии файла ядро помещает копию дискового inode в память в таблицу in-core inode, которая содержит несколько дополнительных полей. Структура дискового inode (struct dinode) приведена на рис. 3.3. Основные поля дискового inode следующие:
di_mode Тип файла, дополнительные атрибуты выполнения и права доступа. di_nlinks Число ссылок на файл, т. е. количество имен, которые имеет файл в файловой системе. di_uid, di_gid Идентификаторы владельца-пользователя и владельца-группы. di_size Размер файла в байтах. Для специальных файлов это поле содержит старший и младший номера устройства. di_atime Время последнего доступа к файлу. di_mtime Время последней модификации. di_ctime Время последней модификации inode (кроме модификации полей di_atime, di_mtime). di_addr [13] Массив адресов дисковых блоков хранения данных. Поле di_mode хранит несколько атрибутов файла: тип файла (IFREG для обычных файлов, IFDIR для каталогов, IFBLK или IFCHR для специальных файлов блочных и символьных устройств соответственно); права доступа к файлу для трех классов пользователей и дополнительные атрибуты выполнения (SUID, SGID и sticky bit). Заметим, что в индексном дескрипторе отсутствует информация о времени создания файла. Вместо этого inode хранит три значения времени: время последнего доступа (di_atime), время последней модификации содержимого файла (di_mtime) и время последней модификации метаданных файла (di_ctime). В последнем случае не учитываются модификации полей di_atime и di_mtime. Таким образом, di_ctime изменяется, когда изменяется размер файла, владелец, группа, или число связей.
Рис. 3.3 Структура дискового inode. Индексный дескриптор содержит информацию о расположении данных файла. Поскольку дисковые блоки хранения данных файла в общем случае располагаются не последовательно, inode должен хранить физические адреса всех блоков, принадлежащих данному файлу. В индексном дескрипторе эта информация хранится в виде массива, каждый элемент которого содержит физический адрес дискового блока, а индексом массива является номер логического блока файла. Массив имеет фиксированный размер и состоит из 13 элементов. При этом первые 10 элементов адресуют непосредственно блоки хранения данных файла. Одиннадцатый элемент адресует блок, в свою очередь содержащий адреса блоков хранения данных. Двенадцатый элемент указывает на дисковый блок, также хранящий адреса блоков, каждый из который адресует блок хранения данных файла. И, наконец, тринадцатый элемент используется для тройной косвенной адресации, когда для нахождения адреса блока хранения данных файла используются три дополнительных блока. Такой подход позволяет при относительно небольшом фиксированном размере индексного дескриптора поддерживать работу с файлами, размер которых может изменяться от нескольких байтов до десятков Гигабайтов. Для относительно небольших файлов (до 10 Кбайт при размере блока 1024 байтов) используется прямая индексация, обеспечивающая максимальную производительность. Для файлов, размер которых не превышает 266 Кбайт (10 Кбайт + 256х1024), достаточно простой косвенной адресации. Наконец, при использовании тройной косвенной адресации можно обеспечить доступ к 16777216 (16M) блокам (256х256х256). Файлы в UNIX могут содержать так называемые дыры. Например, процесс может создать пустой файл, с помощью системного вызова lseek(2) сместить файловый указатель относительно начала файла и записать данные. При этом между началом файла и началом записанных данных образуется дыра - незаполненная область. При чтении этой области процесс получит обнуленные байты. Поскольку логические блоки, соответствующие дыре, не содержат данные, не имеет смысла размещать для них дисковые блоки. В этом случае соответствующие элементы массива адресов inode содержат нулевой указатель. Когда процесс производит чтение такого блока, ядро возвращает последовательность нулей. Дисковые блоки размещаются только при записи в соответствующие логические блоки файла. Следует отметить, что отсутствие размещенных дисковых блоков для части файла может привести к нежелательным результатам. Например, операция записи в "дыру" может закончиться неудачей из-за нехватки дискового пространства. При копировании файла с дырой, его копия может занимать больше фактического места на диске, чем оригинал. Это связано с тем, что при копировании производится чтение содержимого оригинала, а затем - запись в другой файл. Это, в частности может привести к тому, что резервная копия файловой системы не сможет быть обратно распакована, поскольку вместо неразмещенных блоков будет хранить законные нулевые байты и, соответственно, занимать больше места. В современных версиях ОС Linux комманда cp корректно обслуживает копирование файлов, содержащих "дыры". Имена файлов Как мы уже видели, ни метаданные, ни тем более блоки хранения данных, не содержат имени файла. Имя файла хранится в файлах специального типа - каталогах. Такой подход позволяет любому файлу, т. е. фактическим данным, иметь теоретически неограниченное число имен (названий), в файловой системе. При этом несколько имен файлов будут соответствовать одним и тем же метаданным и данным и являться жесткими связями.
Рис. 3.4 Каталог файловой системы s5fs. Первые два элемента каталога адресуют сам каталог (текущий каталог) под именем "."и родительский каталог под именем "..". При удалении имени файла из каталога (например, с помощью команды rm(1)), номер inode соответствующего элемента устанавливается равным 0. Ядро обычно не удаляет такие свободные элементы, поэтому размер каталога не уменьшается даже при удалении файлов. Это является потенциальной проблемой для каталогов, в которые временно было помещено большое количество файлов. После удаления большинства из них размер каталога останется достаточно большим, поскольку записи удаленных файлов будут по-прежнему существовать. Недостатки и ограничения Файловая систем s5fs привлекательна благодаря своей простоте. Однако обратной стороной медали является низкая надежность и производительность. С точки зрения надежности слабым местом этой файловой системы является суперблок. Суперблок несет основную информацию о файловой системе в целом, и при его повреждении файловая система не может использоваться. Поскольку в файловой системе s5fs суперблок хранится в единственном варианте, вероятность возникновения ошибок достаточно велика. Относительно низкая производительность связана с размещением компонентов файловой системы на диске. Метаданные файлов располагаются в начале файловой системы, а далее следуют блоки хранения данных. При работе с файлом, происходит обращение как к его метаданным, так и к дисковым блокам, содержащим его данные. Поскольку эти структуры данных могут быть значительно разнесены в дисковом пространстве, необходимость постоянного перемещения головки диска увеличивает время доступа и, как следствие, уменьшает производительность файловой системы в целом. К этому же эффекту приводит фрагментация файловой системы, поскольку отдельные блоки файла оказываются разбросанными по всему разделу диска. Использование дискового пространства также не оптимально. Для увеличения производительности файловой системы более предпочтительным является использование блоков больших размеров. Это позволяет считывать большее количество данных за одну операцию ввода/вывода. Так, например, в UNIX SVR2 размер блока составлял 512 байтов, а в SVR3 - уже 1024 байтов. Однако поскольку блок может использоваться только одним файлом, увеличение размера блока приводит к увеличению неиспользуемого дискового пространства за счет частичного заполнения последнего блока файла. В среднем для каждого файла теряется половина блока. Массив inode имеет фиксированный размер, задаваемый при создании файловой системы. Этот размер накладывает ограничение на максимальное число файлов, которые могут существовать в файловой системе. Расположение границы между метаданными файлов и их данными (блоками хранения данных) может оказаться неоптимальным, приводящим либо к нехватке inode, если файловая система хранит файлы небольшого размера, либо к нехватке дисковых блоков для хранения файлов большого размера. Поскольку динамически изменить эту границу невозможно, всегда останется неиспользованное дисковое пространство либо в массиве inode, либо в блоках хранения данных. Наконец, ограничения, накладываемые на длину имени файла (14 символов) и общее максимальное число inode (65535), также являются слишком жесткими. Все эти недостатки привели к разработке новой архитектуры файловой системы, которая появилась в версии 4.2BSD UNIX под названием Berkeley Fast File System, или FSS. В настоящее время эта файловая система более известна под именем UFS.
13.1. ОС семейства Microsoft Windows NT. Процессы и нити, планирование процессов и нитей. Процессы и нити В разных ОС процессы реализуются по-разному. Эти различия заключаются в том, какими структурами данных представлены процессы, как они именуются, какими способами защищены друг от друга и какие отношения существуют между ними. Процессы Windows NT имеют следующие характерные свойства: • Процессы Windows NT реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов. • Процесс Windows NT имеет многонитевую организацию. • Как объекты-процессы, так и объекты-нити имеют встроенные средства синхронизации. • Менеджер процессов Windows NT не поддерживает между процессами отношений типа "родитель-потомок". В любой системе понятие "процесс" включает следующее: • исполняемый код, • собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс, • ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой. • хотя бы одну выполняемую нить. Адресное пространство каждого процесса защищено от вмешательства в него любого другого процесса. Это обеспечивается механизмами виртуальной памяти. Операционная система, конечно, тоже защищена от прикладных процессов. Чтобы выполнить какую-либо процедуру ОС или прочитать что-либо из ее области памяти, нить должна выполняться в режиме ядра. Пользовательские процессы получают доступ к функциям ядра посредством системных вызовов. В пользовательском режиме выполняются не только прикладные программы, но и защищенные подсистемы Windows NT. В Windows NT процесс - это просто объект, создаваемый и уничтожаемый менеджером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, который создает и инициализирует менеджер объектов. Менеджер процессов определяет атрибуты, хранимые в теле объекта-процесса, а также обеспечивает системный сервис, который восстанавливает и изменяет эти атрибуты. В число атрибутов тела объекта-процесса входят: • Идентификатор процесса - уникальное значение, которое идентифицирует процесс в рамках операционной системы. • Токен доступа - исполняемый объект, содержащий информацию о безопасности. • Базовый приоритет - основа для исполнительного приоритета нитей процесса. • Процессорная совместимость - набор процессоров, на которых могут выполняться нити процесса. • Предельные значения квот - максимальное количество страничной и нестраничной системной памяти, дискового пространства, предназначенного для выгрузки страниц, процессорного времени - которые могут быть использованы процессами пользователя. • Время исполнения - общее количество времени, в течение которого выполняются все нити процесса. Напомним, что нить является выполняемой единицей, которая располагается в адресном пространстве процесса и использует ресурсы, выделенные процессу. Подобно процессу нить в Windows NT реализована в форме объекта и управляется менеджером объектов. Объект-нить имеет следующие атрибуты тела: • Идентификатор клиента - уникальное значение, которое идентифицирует нить при ее обращении к серверу. • Контекст нити - информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванной нити. Контекст нити содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти, которая используется подсистемами и библиотеками. • Динамический приоритет - значение приоритета нити в данный момент. • Базовый приоритет - нижний предел динамического приоритета нити. • Процессорная совместимость нитей - перечень типов процессоров, на которых может выполняться нить. • Время выполнения нити - суммарное время выполнения нити в пользовательском режиме и в режиме ядра, накопленное за период существования нити. • Состояние предупреждения - флаг, который показывает, что нить должна выполнять вызов асинхронной процедуры. • Счетчик приостановок - текущее количество приостановок выполнения нити. Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты. Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.
Рис. 8.3. Граф состояний нити
В Windows NT реализована вытесняющая ногозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время. В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может иметь одно из шести состояний (рисунок 8.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния: • Готовность. При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора. • Первоочередная готовность (standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити. • Выполнение. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания. • Ожидание. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности. • Переходное состояние. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности. • Завершение. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает, когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова. Диспетчер ядра использует для определения порядка выполнения нитей алгоритм, основанный на приоритетах, в соответствии с которым каждой нити присваивается число - приоритет, и нити с более высоким приоритетом выполняются раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь, процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема той или иной прикладной среды. Значение базового приоритета присваивается процессу системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании получившегося в результате приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться. Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных на два класса - класс реального времени и класс переменных приоритетов. Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени. Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название "переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса. Алгоритм планирования нитей в Windows NT объединяет в себе обе базовых концепции -квантование и приоритеты. Как и во всех других алгоритмах, основанных на квантовании, каждой нити назначается квант, в течение которого она может выполняться. Нить освобождает процессор, если: • блокируется, уходя в состояние ожидания; • завершается; • исчерпан квант; • в очереди готовых появляется более приоритетная нить. Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью. Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом. В многопроцессорных системах при диспетчеризации и планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити "процессорная совместимость" не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
Файловая система S5 состоит из трех основных компонентов:
Каталог файловой системы s5fs представляет собой таблицу, каждый элемент которой имеет фиксированный размер в 16 байтов: 2 байта хранят номер индексного дескриптора файла, а 14 байтов - его имя. Это накладывает ограничение на число inode, которое не может превышать 65535. Также ограничена и длина имени файла: его максимальный размер - 14 символов. Структура каталога приведена на рис. 3.4.
Алгоритм планирования процессов и нитей