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MC504 Sistemas Operacionais

Prof. Dr. Eng. Isaías Bittencourt Felzmann

isaias@ic.unicamp.br

Campinas, 2º ano/2026

Armazenamento e Arquivos

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The following set of slides are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Modifications were made for their use in conjunction with MC504. The original material is available at os-book.com .

Os direitos autorais do conjunto de slides a seguir pertencem a Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Foram feitas modificações para seu uso em MC504. O material original está disponível em os-book.com .

Este material foi elaborado com apoio de ferramentas de IA generativa como recurso auxiliar. O conteúdo foi revisado, validado e é de responsabilidade do docente.

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Sistemas de Armazenamento

Visão geral da estrutura de armazenamento em massa
Escalonamento de HDD
Estrutura de RAID

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Objetivos

Descrever a estrutura física dos dispositivos de armazenamento secundário e o efeito dessa estrutura em seus usos
Avaliar algoritmos de escalonamento de E/S
Discutir os serviços fornecidos pelo Sistema Operacional para armazenamento em massa, incluindo RAID

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Visão geral da estrutura de armazenamento em massa

A maior parte do armazenamento secundário dos computadores modernos é composta por unidades de disco rígido (HDDs) e dispositivos de memória não volátil (NVM)
HDDs giram pratos revestidos de material magnético sob cabeças móveis de leitura e escrita

As unidades giram de 60 a 250 vezes por segundo
A taxa de transferência é a velocidade com que os dados fluem entre a unidade e o computador
O tempo de posicionamento (tempo de acesso aleatório) é o tempo necessário para mover o braço do disco até o cilindro desejado (tempo de busca) e para que o setor desejado gire sob a cabeça do disco (latência rotacional)
Head crash ocorre quando a cabeça do disco toca sua superfície — isso é ruim

Os discos podem ser removíveis

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Mecanismo de disco com cabeça móvel

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A primeira unidade de disco comercial

1956

O computador IBM RAMDAC incluía o sistema de armazenamento em disco IBM Model 350

5M caracteres (7 bits)

50 pratos de 24”

Tempo de acesso < 1 segundo

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Dispositivos de Memória Não Volátil

Quando têm formato de unidade de disco, são chamados discos de estado sólido (SSDs)
Outros formatos incluem unidades USB (thumb drives ou flash drives), substitutos de disco em DRAM, dispositivos montados na placa-mãe e armazenamento principal em smartphones
Podem ser mais confiáveis que HDDs
São mais caros por MB
Podem ter vida útil menor — exigem gerenciamento cuidadoso
Têm menor capacidade
Mas são muito mais rápidos
Os barramentos podem ser lentos demais → por exemplo, conexão direta ao PCI
Não possuem partes móveis; portanto, não há tempo de busca nem latência rotacional

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Dispositivos de Memória Não Volátil

Apresentam desafios
Lidas e gravadas em unidades de “página” (análogas a setores), mas não podem ser sobrescritas no local

Devem ser apagadas antes; os apagamentos ocorrem em unidades maiores, os “blocos”
Só admitem um número limitado de apagamentos antes do desgaste — ~100.000
Vida útil medida em gravações da unidade por dia (DWPD)

Uma unidade NAND de 1TB classificada para 5DWPD deve gravar 5TB/dia durante a garantia sem falhar

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Memória Volátil

DRAM é usada com frequência como armazenamento em massa

Não é tecnicamente armazenamento secundário, pois é volátil; ainda assim, pode ter sistemas de arquivos e atuar como armazenamento secundário rápido

Os RAM drives (também chamados RAM disks) aparecem como dispositivos de blocos brutos, geralmente formatados com sistema de arquivos
Computadores usam buffering e cache em RAM; por que usar RAM drives?

Caches e buffers são gerenciados por programador, Sistema Operacional ou hardware
RAM drives ficam sob controle do usuário
Disponíveis nos principais Sistemas Operacionais

Linux: /dev/ram; macOS: diskutil; Linux: /tmp com tmpfs

Usados como armazenamento temporário de alta velocidade

Programas compartilham dados lendo e gravando em RAM drives

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Mapeamento de Endereços

As unidades de disco são endereçadas como grandes vetores unidimensionais de blocos lógicos, sendo o bloco lógico a menor unidade de transferência

A formatação de baixo nível cria blocos lógicos na mídia física

O vetor unidimensional de blocos lógicos é mapeado sequencialmente nos setores do disco

O setor 0 é o primeiro setor da primeira trilha do cilindro mais externo
O mapeamento percorre essa trilha, depois as demais trilhas do mesmo cilindro e, em seguida, os demais cilindros, do mais externo para o mais interno
O mapeamento de endereços lógicos para físicos deve ser simples

Exceto no caso de setores defeituosos
Número não constante de setores por trilha, com velocidade angular constante

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Escalonamento de HDD

O Sistema Operacional é responsável pelo uso eficiente do hardware — para discos rígidos, isso significa obter baixo tempo de acesso e alta largura de banda
Minimizar o tempo de busca
Tempo de busca ≈ distância de busca
A largura de banda do disco é o número total de bytes transferidos dividido pelo tempo entre a primeira requisição de serviço e a conclusão da última transferência

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Escalonamento de disco (cont.)

Os controladores de unidade possuem pequenos buffers e podem gerenciar uma fila de requisições de E/S com diferentes “profundidades”
Existem diversos algoritmos para escalonar o atendimento das requisições de E/S de disco
A análise é válida para um ou vários pratos
Ilustramos os algoritmos de escalonamento com uma fila de requisições (0–199)

� 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

Posição inicial da cabeça: 53

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FCFS

A ilustração mostra um movimento total da cabeça de 640 cilindros

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SCAN

O braço do disco parte de uma extremidade e se move em direção à outra, atendendo às requisições até chegar ao extremo oposto; então, o movimento da cabeça é invertido e o atendimento continua.
O algoritmo SCAN também é chamado de algoritmo do elevador
A ilustração mostra um movimento total da cabeça de 208 cilindros
Se as requisições estiverem uniformemente distribuídas, a maior densidade estará no extremo oposto do disco; essas requisições terão a maior espera

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SCAN (cont.)

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C-SCAN

Oferece tempo de espera mais uniforme que o SCAN
A cabeça se move de uma extremidade do disco à outra, atendendo às requisições ao longo do caminho

Ao chegar à outra extremidade, retorna imediatamente ao início do disco, sem atender requisições no percurso de volta

Trata os cilindros como uma lista circular, que retorna do último cilindro ao primeiro
Número total de cilindros?

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C-SCAN (cont.)

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Escalonamento NVM

Não há cabeças de disco nem latência rotacional, mas ainda existe espaço para otimização
No RHEL 7, usa-se NOOP (sem escalonamento), mas requisições LBA adjacentes são combinadas

NVM é melhor para E/S aleatória; HDD, para E/S sequencial
A taxa de transferência pode ser semelhante
As operações de E/S por segundo (IOPS) são muito mais numerosas com NVM (centenas de milhares contra centenas)
Porém, a amplificação de escrita (uma escrita que provoca coleta de lixo e várias leituras e escritas) pode reduzir a vantagem de desempenho

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Gerenciamento de Dispositivos de Armazenamento

Formatação de baixo nível, ou formatação física — divisão do disco em setores que o controlador pode ler e gravar

Cada setor pode conter informações de cabeçalho, dados e código de correção de erros (ECC)
Normalmente contém 512 bytes de dados, mas esse tamanho pode ser configurável

Para armazenar arquivos em um disco, o Sistema Operacional ainda precisa registrar nele suas próprias estruturas de dados

O disco é particionado em um ou mais grupos de cilindros, cada um tratado como um disco lógico
Formatação lógica ou criação de um sistema de arquivos
Para aumentar a eficiência, a maioria dos sistemas de arquivos agrupa blocos em clusters

A E/S de disco é realizada em blocos
A E/S de arquivos é realizada em clusters

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Estrutura RAID

RAID — arranjo redundante de discos independentes

Várias unidades de disco fornecem confiabilidade por meio de redundância

Aumenta o tempo médio até a falha
Tempo médio para reparo — período de exposição em que outra falha pode causar perda de dados
Tempo médio até a perda de dados com base nos fatores acima
Se os discos espelhados falharem de forma independente, considere um disco com 100.000 horas de �tempo médio até a falha e tempo médio para reparo de 10 horas

O tempo médio até a perda de dados é 100.000² / (2 ∗ 10) = 500 ∗ 10⁶ horas, ou 57.000 anos!

Frequentemente combinado com NVRAM para melhorar o desempenho de gravação
Diversas melhorias nas técnicas de uso de discos envolvem vários discos trabalhando de forma cooperativa

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RAID (cont.)

O striping de discos usa um grupo de discos como uma única unidade de armazenamento
O RAID é organizado em seis níveis diferentes
Os esquemas RAID melhoram o desempenho e a confiabilidade do sistema de armazenamento ao manter dados redundantes

O espelhamento ou shadowing (RAID 1) mantém uma cópia de cada disco
Espelhamento com striping (RAID 1+0) ou stripes espelhados (RAID 0+1) oferecem alto desempenho e alta confiabilidade
A paridade intercalada por blocos (RAID 4, 5, 6) usa muito menos redundância

Um array RAID ainda pode falhar se o próprio array falhar; por isso, é comum a replicação automática dos dados entre arrays
Alguns discos hot spare ficam não alocados; substituem automaticamente discos com falha e recebem os dados reconstruídos

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Níveis RAID

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Conceito de Arquivo

Espaço de endereçamento lógico contíguo
Tipos:

Dados

Numérico
Caractere
Binário

Programa

Conteúdo definido pelo criador do arquivo

Muitos tipos

arquivo de texto,
arquivo fonte,
arquivo executável

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Atributos do Arquivo

Nome – apenas informações mantidas em forma legível para humanos
Identificador – tag única (número) identifica o arquivo dentro do sistema de arquivos
Tipo – necessário para sistemas que suportam diferentes tipos
Localização – apontador para a localização do arquivo no dispositivo
Tamanho – tamanho atual do arquivo
Proteção – controla quem pode fazer leitura, escrita e execução
Hora, data e identificação do usuário – dados para proteção, segurança e monitoramento de uso
As informações sobre arquivos são mantidas na estrutura de diretórios, que é mantida no disco
Muitas variações, incluindo atributos de arquivo estendidos, como a soma de verificação de arquivos
Informações mantidas na estrutura de diretórios

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Estrutura do Diretório

Uma coleção de nós contendo informações sobre todos os arquivos

Tanto a estrutura de diretórios quanto os arquivos residem no disco

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Operações de Arquivo

Criar
Escrita – na localização do ponteiro de escrita
Leitura – localização do ponteiro de leitura
Reposicionamento dentro do arquivo - seek
Excluir
Truncar
Abrir (F_i) – procurar na estrutura de diretórios do disco a entrada F_ie mover o conteúdo da entrada para a memória
Fechar (F_i) – mover o conteúdo da entrada F_i na memória para a estrutura de diretórios no disco

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Arquivos Abertos

Vários dados são necessários para gerenciar arquivos abertos:

Tabela de arquivos abertos: acompanha arquivos abertos
Ponteiro de arquivo: ponteiro para a última localização de leitura/gravação, por processo que tenha o arquivo aberto
Contagem de arquivos abertos: contador do número de vezes que um arquivo é aberto – para permitir a remoção de dados da tabela de arquivos abertos quando o último processo a fecha
Localização do arquivo em disco: cache das informações de acesso aos dados
Direitos de acesso: informações sobre modos de acesso por processo

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Estrutura do Arquivo

Nenhuma - sequência de palavras, bytes
Estrutura simples de registros

Linhas
Comprimento fixo
Comprimento variável

Estruturas Complexas

Documento formatado
Arquivo de carregamento relocável

Pode simular os dois últimos com o primeiro método inserindo caracteres de controle apropriados
Quem decide:

Sistema operacional
Programa

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Acesso Sequencial

Operações

Leia em seguida
Escreva em seguida
Reiniciar

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Acesso Direto

Operações

leia n
Escreva n
posição para n

Leia em seguida
Escreva em seguida
reescrever n

n = número relativo de blocos

Números relativos de blocos permitem que o SO decida onde o arquivo deve ser colocado

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Uma organização típica de sistema de arquivos

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Operações realizadas no diretório

Buscar por um arquivo

Criar um arquivo

Excluir um arquivo

Listar um diretório

Renomear um arquivo

Percorra o sistema de arquivos

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Diretório de Nível Único

Um diretório único para todos os usuários

Problema de nomeação
Problema de agrupamento

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Diretório de Dois Níveis

Diretório separado para cada usuário

Nome do caminho
Pode ter o mesmo nome de arquivo para usuários diferentes
Busca eficiente
Sem capacidade de agrupamento

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Diretórios Estruturados em Árvore

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Diretórios em Grafo Acíclico

Compartilhar subdiretórios e arquivos
Exemplo

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Diretórios em Grafo Acíclico (cont.)

Dois nomes diferentes (aliasing)
Se o diretório excluir w/list ⇒ ponteiro pendente

Soluções:

Ponteiros reversos, para que possamos excluir todos os ponteiros.

Registros de tamanho variável são um problema

Ponteiros reversos organizados em cadeia
Solução com contagem de referências da entrada

Novo tipo de entrada de diretório

Link – outro nome (ponteiro) para um arquivo existente
Resolver o link – seguir o ponteiro para localizar o arquivo

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Diretório em Grafo Geral

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Proteção

O proprietário/criador do arquivo deve ser capaz de controlar:

O que pode ser feito
Por quem

Tipos de acesso

Leitura
Escrita
Execução
Exclusão (escrita?)
Listagem

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Permissões Unix

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Estrutura do Sistema de Arquivos

Estrutura de arquivos

Unidade de armazenamento lógica
Coleção de informações relacionadas

O sistema de arquivos reside em armazenamento secundário (discos)

Fornece uma interface de usuário para armazenamento, mapeando lógica para física
Proporciona acesso eficiente e conveniente ao disco ao permitir que os dados sejam armazenados, localizados e facilmente recuperados

O disco oferece reescrita no local e acesso aleatório

Transferências de E/S realizadas em blocos de setores (geralmente 512 bytes)

Bloco de controle de arquivo (FCB) – estrutura de armazenamento composta por informações sobre um arquivo
O driver do dispositivo controla o dispositivo físico
Sistema de arquivos organizado em camadas

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Sistema de Arquivos em Camadas

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Camadas do Sistema de Arquivos

Drivers de dispositivo gerenciam dispositivos de E/S na camada de controle de E/S

Dados comandos como

Unidade de leitura 1, cilindro 72, faixa 2, setor 10, para a localização de memória 1060

Envia comandos específicos de hardware de baixo nível para o controlador de hardware

Sistema de arquivos básico traduz comandos como "retrieve block 123" e envia ao driver de dispositivo
Também gerencia buffers de memória e caches (alocação, liberação, substituição)

Buffers armazenam dados em trânsito
Caches armazenam dados frequentemente usados

O módulo de organização de arquivos entende arquivos, endereços lógicos e blocos físicos

Traduz o bloco lógico # para bloco físico #
Gerencia espaço livre, alocação de disco

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Camadas do Sistema de Arquivos

Sistema de arquivos lógico gerencia informações de metadados

Traduz o nome do arquivo em número de arquivo, descritor de arquivo, localização mantendo blocos de controle de arquivos (inodes no UNIX)
Gestão de diretórios
Proteção

A sobreposição é útil para reduzir complexidade e redundância, mas adiciona sobrecarga e pode diminuir o desempenho
Camadas lógicas podem ser implementadas por qualquer método de codificação, de acordo com o projetista do sistema operacional

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Camadas do Sistema de Arquivos

Muitos sistemas de arquivos, às vezes muitos dentro de um sistema operacional

Cada um com seu próprio formato:
CD-ROM é ISO 9660;
Unix possui UFS, FFS;
O Windows tem FAT, FAT32, NTFS, além de disquete, CD e DVD Blu-ray,
Linux possui mais de 130 tipos, com ext3 e ext4 na frente; além de sistemas de arquivos distribuídos, etc.)
Novos ainda estão chegando – ZFS, GoogleFS, Oracle ASM, FUSE

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Bloco de Controle de Arquivo (FCB)

O sistema operacional mantém o FCB por arquivo, que contém muitos detalhes sobre o arquivo

Normalmente, número de inode, permissões, tamanho, datas
Exemplo

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Estruturas do Sistema de Arquivos em Memória

Tabela de montagem que armazena montagens do sistema de arquivos, pontos de montagem, tipos de sistema de arquivos
A tabela de arquivos abertos do sistema contém uma cópia do FCB de cada arquivo e outras informações
A tabela de arquivos abertos por processo contém ponteiros para entradas apropriadas na tabela de arquivos abertos de todo o sistema, bem como outras informações

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Método de Alocação Contígua

Um método de alocação refere-se a como blocos de disco são alocados para arquivos:
Cada arquivo ocupa um conjunto de blocos contíguos

Melhor desempenho na maioria dos casos
Simples – apenas a localização inicial (bloco #) e o comprimento (número de blocos) são necessários
Os problemas incluem:

Encontrar espaço no disco para um arquivo,
Saber o tamanho do arquivo,
Fragmentação externa, necessidade de compactação offline (causa inatividade) ou online

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Alocação Contígua (cont.)

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Alocação Encadeada

Cada arquivo é uma lista encadeada de blocos
Arquivo termina em um ponteiro nil
Sem fragmentação externa
Cada bloco contém ponteiro para o próximo bloco
Sem compactação nem fragmentação externa
Sistema de gerenciamento de espaço livre é chamado quando um novo bloco é necessário
Melhora a eficiência ao agrupar blocos em grupos, mas aumentando a fragmentação interna
Confiabilidade pode ser um problema
Localizar um bloco pode exigir muitas operações de E/S e buscas no disco

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Exemplo de Alocação Encadeada

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Método de Alocação FAT

O início do volume possui uma tabela, indexada pelo número do bloco
Muito parecido com uma lista encadeada, mas mais rápida no disco e cacheável
Nova alocação de blocos simples

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Exemplo de FAT

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Método de Alocação Indexada

Cada arquivo possui seu próprio bloco de índice de ponteiros para seus blocos de dados
Visão lógica

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Exemplo de Alocação Indexada

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Alocação Indexada – Esquema de Dois Níveis

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Esquema Combinado: UNIX

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Desempenho

O melhor método depende do tipo de acesso ao arquivo

Contíguo, ótimo para sequenciais e aleatórios

A alocação encadeada é boa para acesso sequencial, não aleatório
Declarar tipo de acesso na criação

Escolha entre contíguo ou encadeado

Indexado mais complexo

O acesso de bloco único pode exigir 2 leituras de bloco índice e depois leitura de blocos de dados
Clustering pode ajudar a melhorar o throughput, reduzir a sobrecarga da CPU

Para NVM, não há cabeçote do disco, então são necessários algoritmos e otimizações diferentes

Usar algoritmos antigos usa muitos ciclos de CPU tentando evitar movimentos inexistentes do cabeçote
O objetivo é reduzir os ciclos de CPU e o caminho geral necessário para E/S

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Gerenciamento de Espaço Livre

Sistema de arquivos mantém lista de espaço livre para acompanhar blocos disponíveis
Vetor de bits ou mapa de bits (n blocos)

Mapa de bits requer espaço extra

Exemplo:

tamanho do bloco = 4KB = 2¹² bytes

tamanho do disco = 2⁴⁰ bytes (1 terabyte)

n = 2⁴⁰/2¹² = 2²⁸ bits (ou 32MB)

se clusters de 4 blocos -> 8MB de memória

Fácil obter arquivos contíguos

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Lista Encadeada de Espaço Livre

Lista encadeada (lista livre)

Não é possível obter espaço contíguo facilmente
Sem desperdício de espaço
Não precisa percorrer toda a lista (se # blocos livres forem gravados)

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TRIM de Blocos Não Utilizados

HDDs sobrescrevem no local, então só precisam de lista livre
Blocos não são tratados especialmente quando liberados

Mantém seus dados, mas sem nenhum ponteiro de arquivo, até serem sobrescritos

Dispositivos de armazenamento que não permitem sobrescrever (como o NVM) sofrem muito com o mesmo algoritmo

Devem ser apagados antes de serem escritos, os apagamentos feitos em grandes blocos (blocos, compostos por páginas) e são lentos
TRIM é um mecanismo mais recente para o sistema de arquivos informar ao dispositivo de armazenamento NVM que uma página está livre

A página pode ser coletada por um garbage colletor ou, se todo o bloco estiver livre, o bloco pode ser apagado

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Recuperação

Verificação de consistência – compara dados na estrutura de diretórios com blocos de dados no disco e tenta corrigir inconsistências

Pode ser lento e às vezes falha

Use programas do sistema para fazer backup de dados do disco para outro dispositivo de armazenamento (fita magnética, outro disco magnético, óptico)
Recuperar arquivo ou disco perdido restaurando dados a partir de backup

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Sistemas de Arquivos com Log

Sistemas de arquivos estruturados em log (ou journaling) registram cada atualização de metadados do sistema de arquivos como uma transação
Todas as transações são gravadas em um log

Uma transação é considerada confirmada quando é escrita no log (sequencialmente)
Às vezes para um dispositivo ou seção de disco separado
No entanto, o sistema de arquivos pode ainda não ter sido atualizado

As transações no log são escritas de forma assíncrona nas estruturas do sistema de arquivos

Quando as estruturas do sistema de arquivos são modificadas, a transação é removida do log

Se o sistema de arquivos falhar, todas as transações restantes no log ainda devem ser realizadas
Recuperação mais rápida de crash elimina a possibilidade de inconsistência nos metadados

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Bibliografia

Capítulo 4.

Capítulos 11, 13 e 14.

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