Introduzione ai File System

FIle

I file sono l’elemento principale per la maggior parte delle applicazioni, questo perché molto spesso, l’input di un’applicazione è un file, e quasi altrettanto spesso l’output è un file.

I file hanno le seguenti obbiettivi:

• Esistenza a lungo termine dei file (“sopravvivono” ad un processo terminato)
• Diversi processi utilizzano gli stessi file (tramite nome simbolici)
• Strutturabilità (directory gerarchiche), ovvero un sistema di organizzazione per aiutare l’utente a trovare i file

File System

I file sono gestiti da un insieme di programmi e librerie, eseguiti in kernel mode, che insieme formano il File (Management) System.

Lavorano con la memoria secondaria (dischi, chiavi USB, …) ma in Linux, anche in RAM.

Operazioni Fronite

• Mantenimento dei metadati per ogni file (proprietario, data di creazione, etc)
• Creazione (con annessa scelta del nome), il file appena creato è vuoto.
• Cancellazione
• Apertura: necessaria per poter leggere e scrivere
• Lettura: solo su file aperti
• Scrittura: solo su file aperti
• Chiusura: necessaria per le performance

Campi e Record

La memorizzazione logica dei dati segue una precisa gerarchia, dal dato elementare alla struttura complessa:

$\text{Byte}\to \text{Campo}\to \text{Record}\to \text{File}\to \text{Database}$

• Campi: Sono i dati di base. Contengono valori singoli caratterizzati da una precisa lunghezza e da un tipo di dato (es. un carattere ASCII, un numero intero).
• Record: Sono insiemi di campi correlati tra loro e trattati dall’applicazione come un’unica unità logica.
  • Esempio: Il record “Impiegato” è composto dai campi Nome, Cognome, Matricola e Stipendio.

File e Database

• File: Raccolte di record dello stesso tipo dotate di un nome proprio. Implementano meccanismi di controllo degli accessi (permessi utente per decidere chi può leggere, scrivere o modificare il file).
• Database: Collezioni di dati e file correlati. A differenza dei singoli file, i database non si limitano a memorizzare i dati, ma mantengono ed esplicitano le relazioni tra di essi. Sono gestiti dai DBMS (Database Management System), che si eseguono come processi del Sistema Operativo.

Cambio di paradigma nei Sistemi Operativi Moderni

Storicamente (es. nei vecchi Mainframe), il Sistema Operativo conosceva la struttura interna dei file (campi e record) e aiutava i programmi a leggerli riga per riga.

Nei SO generici moderni questo approccio è stato rimosso: il SO è agnostico (non gli interessa il contenuto). Per il File System, un file è semplicemente una sequenza lineare di byte (da qui la frase “ogni record è un solo campo con un byte”).

Sta interamente a chi progetta l’applicazione decidere come interpretare quel flusso di byte (es. Excel interpreterà le virgole di un file .csv per ricostruire la griglia di campi e record).

File Management System (FMS)

File Management System (FMS) è la parte di SO che solleva i programmatori dal dover scrivere codice di basso livello per interagire con l’hardware dei dischi, fornendo servizi utente per l’utilizzo di file.

Obiettivi di un FMS

1. Soddisfare le necessità dell’utente relative alla gestione e archiviazione dei dati.
2. Garantire l’integrità dei dati, evitando che si corrompano.
3. Ottimizzare le prestazioni complessive del sistema di storage.
4. Fornire supporto nativo per diversi supporti di memoria secondaria (HDD, SSD, USB, CD/DVD).
5. Minimizzare il rischio di perdita o distruzione dei dati (gestione dei guasti).
6. Fornire API/Interfacce standard per i processi utente.
7. Gestire l’I/O concorrente, permettendo l’accesso simultaneo a più utenti.

Requisiti di un FSM (Cosa deve poter fare l'utente):

• Creare, cancellare, leggere e modificare i file.
• Accedere in modo controllato e protetto ai file di altri utenti (se autorizzato).
• Controllare, leggere e modificare i permessi di accesso dei propri file.
• Ristrutturare i propri file in modo attinente al problema (strutturazione logica a livello applicativo).
• Spostare o copiare dati da un file all’altro.
• Mantenere e gestire copie di backup per il disaster recovery.
• Accedere ai file tramite nomi simbolici mnemonici scelti dall’utente (es. appunti.txt) anziché tramite indirizzi fisici.

Suddivisione del Lavoro

• Directory Management: Sono tutte le operazioni utente che hanno a che fare con i file come crearli, cancellarli ecc… In questa fase si passa da nomi di file a identificatori.
• File System: Struttura logica delle operazioni (apri, chiudi, leggi, scrivi …)
• Organizzazione fisica: Dagli identificatori dei file si passa agli indirizzi fisici sul disco. Decide dove mettere i file e come posizionarli.
• Scheduling & Control: Qui avvengono i vari SCAN (Scheduling dell’disco)