Sistemi Operativi
L’interfaccia del file system
Per la maggior parte degli utenti, il file system è l’aspetto più visibile di un sistema operativo. Il file
system fornisce il supporto per la memorizzazione dei dati e dei programmi, ed è composto da due
parti: un insieme di file , in ciascuno dei quali sono memorizzati dati e programmi, e una struttura
della directory , che organizza l’accesso ai file di tutto il sistema e fornisce informazioni su di essi.
In alcuni file system viene fornita un’ulteriore caratteristica : le partizioni, usate per separare
fisicamente o logicamente grandi insiemi di directory.
Il concetto di file
I computer possono memorizzare le informazioni su veri supporti, quali i dischi magnetici, i nastri
magnetici, i dischi ottici e altro. Per un utilizzo più semplice del computer, il sistema operativo
fornisce una visione logica e uniforme della memorizzazione delle informazioni, astraendo dalle
proprietà fisiche dei dispositivi per definire un’unità logica di memorizzazione, il file.
Un file è un insieme di informazioni identificato in modo univoco da un nome ed è
conservato in un dispositivo di memoria secondaria. Dal punto di vista dell’utente, un file è la più
piccola porzione di informazione logica che può essere memorizzata; in altre parole, i dati non
possono essere scritti in una memoria secondaria se non vengono inclusi in un file. Comunemente i
file contengono programmi ( in forma sorgente o in forma eseguibile) e dati. I file di dati possono
essere alfanumerici o binari . I file possono avere un formato libero ( quali i file di testo) o essere
formattati rigidamente. Il generale un file è una sequenza di bit, byte, righe o record, il cui
significato è definito dal creatore del file.
Attributi del file
Un file ha certi attributi, che variano da un sistema operativo all’altro, ma tipicamente consistono
in:
nome: il nome simbolico del file visibile agli utenti
identificatore : etichetta unica che identifica il file all’interno del file system
tipo: per sistemi che supportano diferenti tipi
locazione: puntatore al dispositivo e alla locazione fisica del file nel dispositivo
dimensione: dimensione corrente del file in byte
protezione: determina il controllo dell’accesso, cioè chi può leggere, scrivere,eseguire
tempo, data e identificativo utente
Le informazioni su tutti i file sono mantenute nella directory, che risiede come il file in un’unità di
memoria secondaria. Tipicamente, un valore nella directory consiste nel nome del file e in un
identificatore univoco che, a sua volta, individua gli altri attributi del file. Può essere necessario più
di un Kilobyte per registrare queste informazioni per ogni file.
Operazioni sui file
Creazione di un file: Sono necessari due passi per creare un file; si deve anzitutto trovare
spazio nel file system, poi si deve creare un descrittore nella directory che registra il nome
del file, la relativa locazione nel file system ed eventualmente altre informazioni.
Scrittura del file: Dato il nome del file il sistema cerca nella directory la posizione fisica
del file. Il sistema deve mantenere un puntatore di scrittura alla locazione nel file dove
avverrà la scrittura successiva.
Lettura del file: Per leggere da un file, si usa una chiamata di sistema che specifica il nome
del file e dove, in memoria centrale, dovrebbe essere posto il record successivo del file. Il
sistema cerca quindi nella directory il descrittore associato; il sistema ha bisogno di
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mantenere un puntatore di lettura alla locazione del file da cui avrà luogo la lettura
successiva.
Riposizionamento all’interno di un file: Si cerca nella directory il descrittore appropriato
e il puntatore alla posizione corrente nel file viene impostato ad un dato valore.
L’operazione è detta anche ricerca (seek) nel file.
Cancellazione di un file: Si cerca nella directory il file avente tale nome. Attraverso il
descrittore si rilascia tutto lo spazio del file e si canella il descrittore della directory.
Troncamento di un file . Per cancellare il contenuto mantenendo gli attributi
Accodamento
Rinomina
La maggior parte delle operazioni menzionate coinvolgono la ricerca, entro la directory cui
appartiene il file, del descrittore associato al file avente un dato nome. Per evitare questa continua
ricerca, molti sistemi operativi richiedono che sia effettuata una chiamata di sistema open() prima di
usare un file. Il sistema operativo mantiene una piccola tabella, chiamata tabella dei file aperti
contenente informazioni su tutti i file aperti. Quando viene richiesta una operazione su un file non è
necessaria una ricerca in memoria secondaria per trovare il descrittore. L’operazione open() prende
il nome del file e cerca nella directory, copiando il descrittore del file da questa alla tabella dei file
aperti.
Alcuni sistemi operativi offrono la possibilità di bloccare un file aperto ( o parti di un file)
permettendo ad un processo di impedire ad altri di accedervi. Il blocco (lock) è utile per file che
sono condivisi tra vari processi.
Tipi di file
Se un sistema operativo riconosce un tipo di file, può allora operare sul file in modo mirato. Ad
esempio un errore comune si presenta quando un utente cerca di stampare l’oggetto binario di un
programma: questo tentativo porta ad una stampa non intelligibile.
Una tecnica comune per implementare i tipi di file consiste nell’includere il tipo come parte
del nome del file. Il nome è diviso in due parti: il nome vero e proprio e una estensione usualmente
separati da un punto. In questo modo, l’utente e il sistema operativo possono riconoscere il tipo di
file semplicemente dal nome. Ad esempio in MS-DOS un nome può avere fino a otto caratteri
seguiti da un punto e una estensione finale al massimo di tre caratteri. Il sistema operativo usa
l’estensione per indicare il tipo di file e quindi il tipo di operazioni che si possono eseguire su quel
file. Ad esempio solo i file .com .exe o .bat possono essere eseguiti. I file di tipo .com e .exe sono
due forme di file binari eseguibili, mentre un file .bat è un file batch (file di comandi), che contiene
in formato ASCII , dei comandi per il sistema operativo. Anche i programmi applicativi usano le
estensioni per indicare i tipi di file cui sono interessati. Ad esempio gli assemblatori si aspettano
che i file sorgente abbiano una estensione .asm
Il sistema UNIX non fornisce una tale caratteristica.
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I file in C
E’ consentito operare su file, intesi come sequenze lineari di byte, mediante funzioni per la
creazione, rimozione di file, lettura e scrittura di byte da/su file.
La prima operazione da eseguire per poter scrivere o leggere da file è l’apertura:
#include <stdio.h>
main()
{
FILE *fp;
fp= fopen(“ordini”, “r”);
…
Il programmatore deve includere stdio.h dove è contenuta la definizione del tipo derivato FILE
prima di poter utlizzare le funzioni di accesso ai file. La funzione fopen apre il file di nome ordini ;
l’operazione di apertura serve ad associare la variabile puntatore fp, nota con il nome di file pointer,
al file di nome ordini. Dopo che il file è stato aperto, il programmatore dovrà usare il file pointer fp
per poter scrivere e leggere le informazioni al suo interno. Nel caso si verifichi un errore, per
esempio perché il file ordini non esiste, la funzione fopen ritorna un file pointer NULL.
Dopo aver terminato le operazioni di lettura e/o scrittura è necessario eseguire l’operazione
di chiusura del file:
fclose(fp);
La chiusura del file garantisce che tutti i dati scritti nel file ordini siano salvati su disco; infatti
molto spesso il sistema operativo, per ottimizzare le prestazioni del programma, ritarda le scritture
sulla memoria di massa mantenendo le informazioni temporaneamente in memoria centrale.
Al momento dell’apertura è sempre necessario specificare, oltre al nome del file, anche il
tipo di operazione che si intende eseguire. In generale le possibili modalità di apertura sono le
seguenti:
“r”
sola lettura
“w” solo scrittura; se il file non esiste sarà automaticamente creato
“r+” lettura e scrittura ; se il file non esiste la fopen ritorna NULL
“w+” scrittura e lettura; se il file non esiste viene automaticamente creato
“a”
append, scrittura a fine file. Se non esiste viene creato
Esempio di lettura
int elementi, dimensione;
char buf[100]
FILE *fp;
int n;
...
elementi = 100;
dimensione =1;
n=fread(buf, dimensione, elementi, fp);
la funzione fread legge 100 caratteri dal file fp e li trasferisce nel vettore buf. I parametri della
funzione fread sono:
buf
è il vettore dove vengono trasferite le informazioni lette
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dimensione
elementi
fp
è la dimensione in byte di un elemento
indica il numero di elementi
è il file da leggere
il valore di ritorno della fread indica al programmatore il numero di elementi letti dal file; tale
numero può non coincidere con il numero di elementi del vettore buf come nel caso il file sia vuoto
o contenga un numero di elementi inferiore a quello di buf. Se il valore di ritorno è negativo vuol
dire che c’è stato qualche errore.
Le operazioni di lettura accedono al file in maniera sequenziale e mantengono traccia del
punto in cui si è arrivati con la lettura; a ogni chiamata a fread il puntatore si sposta in avanti di un
numero di byte pari a quelli che sono stati letti. Quando tutto il contenuto del file è stato letto la
funzione fread ritorna il valore 0 per indicare che il puntatore è ormai posizionato a fine file.
/* Determina il numero di caratteri di un file esistente */
#include <stdio.h>
main()
{
char buf[100]; /* Buffer per la lettura */
FILE *fp;
/* File pointer */
long nc;
/* Contatore caratteri */
int n ;
/* Numero caratteri letti con fread() */
int fine_file=0 /* Indica la fine della lettura del file */
fp = fopen(“clienti”, “r”); /* Apertura del file clienti */
if (fp== NULL )
printf(“ Errore : il file non esiste \n”);
else
nc= 0L
/* inizializza il contatore */
do {
/* Legge 100 caratteri dal file ordini */
n = fread(buf,1,100,fp);
if (n == 0) fine_file=1;
nc = nc + n;
/* incremento del contatore */
}
while (fine_file==0);
fclose (fp);
printf(“Il file clienti contiene %ld caratteri\n”, nc);
}
}
Posizionamento del puntatore
In C è possibile sui file di byte non solo in modo strettamente sequenziale ma anche in modalità
random. La funzione fseek consente infatti di muovere il puntatore di lettura e/o scrittura in una
qualunque posizione all’interno del file
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err= fseek(fp, n, mode);
I parametri della funzione fseek hanno il seguente significato:
fp
è il file pointer
n
indica di quanti byte il file pointer deve essere spostato; se n è negativo il file pointer deve
essere spostato indietro
mode indica da quale posizione il file pointer deve essere spostato; se mode =0 è a partire
dall’inizio, se vale 1 dalla posizione corrente, e se infine vale 2 dalla fine del file.
Altre funzioni
fprintf
fscanf
fgetc
fputc
scrive sul file in modo formattato
legge dal file in modo formattato
legge un singolo carattere
scrive un singolo carattere
Struttura interna di un file
Internamente l’individuazione di uno piazzamento entro un file può essere complicata per il sistema
operativo. I dischi hanno tipicamente una dimensione ben definita del blocco fisico che può essere
memorizzato, determinata da quella di un settore. Tutte le operazioni di I/O relative ai dischi
avvengono in termini di un blocco fisico. E’ improbabile che la dimensione del blocco fisico
eguagli esattamente la lunghezza del record logico desiderato e definito dal programmatore.
Ad esempio, il sistema operativo UNIX definisce tutti i file come sequenze di byte.
Struttura della directory
I file system possono essere vasti; alcuni sistemi memorizzano milioni di file, su dischi da qualche
Terabyte; per gestire tutti questi dati, bisogna organizzarli, e l’organizzazione viene di solito
effettuata in due parti.
Innanzitutto, i dischi sono organizzati in una o più partizioni( o volumi in ambito PC o
Macintosh) . Tipicamente, ogni disco in un sistema contiene almeno una partizione, che è una
struttura a basso livello in cui risiedono i file e le directory. In alcuni sistemi, le partizioni possono
essere usate per fornire aree separate all’interno di un disco, ognuna vista come un dispositivo di
memorizzazione separato, mentre in altri sistemi è possibile che le partizioni siano più grandi di un
disco in modo da poter raggruppare i dischi in un’unica struttura logica. Le partizioni possono
essere pensate come dischi virtuali. Esse, fra l’altro, possono memorizzare sistemi operativi diversi,
permettendo a un computer di caricare e far funzionare più di un sistema operativo.
In secondo luogo, ogni partizione contiene informazioni sui file presenti in essa. Queste
informazioni sono conservate nella directory del dispositivo, nota anche come indice del volume.
La directory del dispositivo registra le informazioni – quale nome, posizione, dimensione e tipo –
per tutti i file in quella partizione.
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directory
directory
file
partizione A
disco 2
disco 1
file
directory
partizione C
partizione B
file
disco 3
Directory a singolo livello
Tutti i file sono contenuti nella stessa directory. E’ una struttura semplice che presenta delle
limitazioni significative quando il numero dei file aumenta o quando il sistema ha più di un utente.
Cat
bo
a
test
data
mail
cont
hex
records
directory
file
Directory a due livelli
user 1
cat
bo
a
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test
user 2
a
user 3
user 4
data
a
directory principale
test
data
directory
dei file utente
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Ogni utente ha una propria directory dei file utente. Quando ha inizio un processo dell’utente o
l’utente si connette viene fatta una ricerca nella directory principale che è indicizzata per nome
utente e ogni descrittore punta alla directory dei file utente (UFD User File Dirctory).
Utenti differenti possono avere file con lo stesso nome.
Directory strutturata ad albero
Questa generalizzazione permette agli utenti di creare delle proprie sottodirectory.
radice
stat
mail
bob
spell
bin
dist
first
nuovi
uno
program
p
primo sec
uno
due
terzo
due
La struttura diventa un albero di altezza arbitraria. Ad esempio il sistema MS-DOS è strutturato
come un albero. L’albero ha una directory radice, e ogni file nel sistema ha un percorso univoco che
va dalla radice, attraverso tutte le sue sottodirectory, sino al file specificato.
Una directory o sottodirectory contiene un insieme di file o sottodirectory. Una directory è
semplicemente un altro file ma viene trattata in modo speciale. Nell’uso normale ogni utente ha una
directory corrente.
Montaggio del file system
Così come un file deve essere aperto prima di essere usato, un file system deve essere montato
prima di essere disponibile nel sistema. La procedura di montaggio è diretta: al sistema operativo
viene fornito il nome del dispositivo e il punto di montaggio, ossia la locazione entro il file system
esistente alla quale il file system da montare deve agganciarsi. Tipicamente un punto di montaggio è
una directory vuota. Ad esempio, nel sistema UNIX un file system che contiene la directory
dell’utente jane potrebbe essere montato come /users. Quindi si accederà alla struttura della
directory con il percorso /users/jane.
Il sistema operativo verifica che il dispositivo da montare contenga un file system valido.
Per illustrare il montaggio del file system si consideri il file system rappresentato in figura
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File system esistente
/
partizione non montata
users
bill
sue
jane
fred
prog
doc
aiuto
La figura successiva mostra gli effetti del montaggio della partizione che risiede in /device/dsk
sopra /users
/
users
sue
jane
prog
doc
Nel sistema operativo MacOS, ogni volta che il sistema incontra per la prima volta un disco (i
dischi rigidi vengono trovati al momento dell’avvio, i dischi floppy vengono visti al momento
dell’inserimento nel lettore), il sistema operativo cerca un file system nel dispositivo: se ne trova
uno monta automaticamente il file system a livello di radice aggiungendo sullo schermo un’icona di
cartella etichettata con il nome del file system come è memorizzato nella directory del dispositivo.
I sistemi operativi della famiglia Microsoft Windows (95,98,NT,2000,XP) mantengono la
struttura della directory a due livelli estesa con lettere assegnate a dispositivi e partizioni. Le
partizioni hanno una struttura della directory a grafo generale, associata alla lettera del drive. Un
grafo generale si ottiene quando si aggiungono dei collegamenti link a file, a partire da una
directory ad albero. Il percorso verso un file specifico prende la forma lettera del drive:
\percorso\verso\il\file. Questi sistemi operativi riconoscono automaticamente tutti i dispositivi e
montano tutti i file system localizzati al momento dell’avvio.
In alcuni sistemi come UNIX i comandi di montaggio sono espliciti.
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