Gestión de Ficheros.

6LVWHPDVGH)LFKHURV
El sistema de ficheros es uno de los aspectos más visibles del sistema operativo,
pues proporciona el mecanismo para el almacenamiento masivo de programas y
datos, tanto del propio sistema operativo como de todos los usuarios del ordenador.
El sistema de ficheros está formado por dos partes esenciales: una colección de
ILFKHURV, conteniendo cada uno de ellos datos relacionados, y una HVWUXFWXUD GH
GLUHFWRULRV que organiza y proporciona información de todos los ficheros del
sistema.
En este capítulo trataremos aspectos sobre los ficheros y directorios, el
compartimiento entre varios procesos y la protección necesaria en entornos con
múltiples usuarios. También abordaremos cuestiones concernientes al almacenamiento y acceso de ficheros en el más común de los dispositivos de memoria
secundaria: el disco. Examinaremos distintos modos de asignación y recuperación
de espacio en el disco, y veremos también cómo se puede llevar la cuenta del
espacio que ocupan los ficheros en el disco.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
,QWURGXFFLyQ
Todos los programas necesitan almacenar y recuperar la información. Mientras un
proceso se ejecuta, puede guardar una cierta cantidad de información en su propio
espacio de direcciones, es decir, la memoria principal; pero la capacidad de ésta
está limitada, como mucho, al tamaño de la memoria virtual. Para algunos
programas, esta cantidad de espacio es suficiente, pero para otros, como por
ejemplo reservas aéreas o aplicaciones bancarias, resulta pequeña.
Otro problema que se tiene al guardar la información en la memoria principal es que
cuando el proceso termina la información se pierde y, claro, para muchas
aplicaciones, como las bases de datos, la información debe retenerse durante
semanas, meses, o incluso para siempre.
Frecuentemente resulta necesario que múltiples procesos accedan a cierta
información al mismo tiempo. Por ejemplo, si se mantiene una guía telefónica en el
espacio de memoria de un proceso, solamente ese proceso puede acceder a la
información, por lo que únicamente se puede buscar un número de teléfono a la vez,
dando lugar a que los procesos que desean obtener un número deben ir accediendo
a la guía de uno en uno. La manera de resolver este problema es haciendo que la
información sea independiente del espacio de direcciones de los procesos.
Así, tenemos tres requisitos esenciales para el almacenamiento de memoria a largo
plazo:
1. Se debe poder almacenar una cantidad de información muy grande.
2. La información debe permanecer después de la terminación de los procesos que
la utilizan.
3. Múltiples procesos deben poder acceder a la información concurrentemente.
La solución a todos estos problemas es almacenar la información en discos u otros
dispositivos externos de almacenamiento masivo, en unidades llamadas ILFKHURV.
Los procesos pueden leer, escribir o crear ficheros nuevos. La información
almacenada en los ficheros es persistente, es decir, no se ve afectada por la
creación o terminación de los procesos. Un fichero sólo desaparece cuando su
propietario lo borra explícitamente.
Los ficheros se manejan a través del sistema operativo. La parte del sistema
operativo que se encarga de la gestión de ficheros recibe el nombre de VLVWHPDGH
ILFKHURV.
Para guardar y gestionar la información, el sistema de ficheros utiliza dos objetos
importantes: los ficheros y los directorios. Como ya dijimos, los ficheros constituyen,
desde el punto de vista del usuario, la unidad de almacenamiento de la información,
mientras que los directorios contienen las listas de los ficheros junto con la
información necesaria para su gestión: nombre, atributos y permisos de acceso,
ubicación en el disco, etc.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
,QWURGXFFLyQ
6LVWHPDGH)LFKHURV
7RGDODLQIRUPDFLyQTXHPDQHMDXQSURFHVRSXHGHHVWDUHQ
PHPRULDSULQFLSDOSHURSXHGHTXH
31HFHVLWHPXFKRPiVHVSDFLR
31RGHEDVHUYROiWLO
31RVHSXHGDFRPSDUWLUODLQIRUPDFLyQHQ03
/DLQIRUPDFLyQGHEHVHULQGHSHQGLHQWH
GHORVSURFHVRV
6HQHFHVLWDXQPHGLRGHDOPDFHQDPLHQWR
GHODLQIRUPDFLyQWDOTXH
+'HEHSRGHUDOPDFHQDUJUDQFDQWLGDGGHLQIRUPDFLyQ
+/DLQIRUPDFLyQGHEHFRQWLQXDUH[LVWLHQGRGHVSXpVGHO
ILQGHOSURFHVRTXHODXWLOL]D
+0~OWLSOHVSURFHVRVGHEHQSRGHUDFFHGHU
FRQFXUUHQWHPHQWHDODLQIRUPDFLyQ
/DLQIRUPDFLyQVHDOPDFHQDHQGLVFRVXRWURVGLVSRVLWLYRV
HQXQLGDGHVOODPDGDV),&+(526
(OVLVWHPDRSHUDWLYRVHHQFDUJDGHODJHVWLyQGHORV
ILFKHURVPHGLDQWHHO6LVWHPDGH)LFKHURV
)LFKHURV
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
'LUHFWRULRV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
)LFKHURV
Un fichero es una colección, con nombre, de información relacionada que se graba y
mantiene, normalmente, en memoria secundaria. Desde el punto de vista del
usuario, un fichero es la unidad lógica más pequeña de memoria secundaria, es
decir, que no se pueden escribir datos en memoria secundaria a menos que sea
dentro de un fichero. Normalmente, los ficheros contienen programas (tanto en
formato fuente como objeto) y datos. Los ficheros de datos pueden ser de cualquier
tipo: numérico, alfabético, alfanumérico o binario; y pueden tener un formato libre,
como los ficheros de texto; o una estructura rígida en la que todos los registros
componentes tienen un mismo patrón, como un fichero de empleados o de nóminas.
En general, un fichero contiene simplemente información estructurada de la forma
más conveniente en cada caso. Esta estructura puede ser una secuencia de bits,
bytes, líneas o registros cuyo significado lo conocen los programas o personas que
los crean y los utilizan.
Un fichero también puede verse como un tipo abstracto de datos, es decir, un objeto
con unos atributos y unas operaciones asociadas. Veamos en primer lugar estos
atributos y operaciones, y posteriormente pasaremos a comentar la estructura
interna que pueden tener los datos de los ficheros y los métodos para acceder a los
registros que lo componen.
$WULEXWRV
Los atributos de un fichero varían de un sistema operativo a otro, pero típicamente
suelen ser los siguientes:
• 1RPEUH. Los ficheros son un mecanismo de abstracción que proporcionan el
modo de almacenar información y poder recuperarla posteriormente, y que
esconden los detalles de cómo y cuándo se almacena la información. La
característica más importante de la abstracción es el modo en el que los objetos
o ficheros se manejan y se nombran. Cuando un proceso crea un fichero, le
asigna un nombre; cuando el proceso finaliza, el fichero continúa existiendo, por
lo que otros procesos pueden acceder a su contenido mediante su nombre. Éste
consta, normalmente, de una serie de caracteres alfanuméricos. Los caracteres
especiales permitidos o la distinción entre mayúsculas o minúsculas depende de
cada sistema operativo.
• 7LSR. Si el sistema operativo es capaz de reconocer el tipo de un fichero,
entonces puede operar con él de forma razonable. Por ejemplo, si se intenta
imprimir un fichero objeto (en binario), normalmente produce un listado
irreconocible, lo cual podría haberse prevenido si el sistema operativo detecta el
tipo del fichero e impide la impresión al tiempo que avisa del error. Una técnica
común para indicar el tipo de fichero consiste en incluir el identificador de tipo
como parte del nombre. Para ello, el nombre se divide en dos partes: el nombre
propiamente dicho y la extensión, normalmente separados por un punto. De esta
forma, tanto el sistema operativo como el usuario pueden deducir el contenido
del fichero simplemente a partir de la extensión del nombre.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
• 8ELFDFLyQ. Indica la dirección (cilindro o pista y sector) del comienzo del fichero
en el disco.
• 7DPDxR. Expresa el tamaño actual del fichero, expresado en bytes o bloques de
datos. También puede indicar el máximo tamaño permitido para el archivo.
• 3URWHFFLyQ. Indica los permisos de acceso para los usuarios del sistema.
• )HFKD \ +RUD. Contiene el momento de creación, modificación y/o último
acceso al fichero.
2SHUDFLRQHV
En la gestión de ficheros hay ciertas operaciones que son básicas, así que el
sistema operativo debe proporcionar operaciones para: crear, escribir, leer,
posicionar, borrar, etc.; mientras que otras se pueden implementar a partir de las
básicas, como por ejemplo: cambiar el nombre, copiar, añadir, ...
• &UHDFLyQ. Antes de trabajar con un fichero hay que crearlo y para ello se
requieren dos pasos principales: asignarle espacio en el disco y darle una
entrada en el directorio correspondiente indicando, al menos, su nombre y
ubicación. (Si el tamaño varía dinámicamente, no se asigna espacio
inicialmente).
• (VFULWXUD. Para escribir en un fichero hay que realizar una llamada al sistema
indicando el nombre y la información que se desea escribir. El sistema operativo
mantiene un puntero que indica la posición de lectura o escritura en el fichero,
para que sucesivas operaciones de escritura, añadan los datos de forma
consecutiva. El sistema operativo se encarga de encontrar la posición del fichero
en el disco a partir del nombre.
• /HFWXUD. El usuario debe indicar el nombre del fichero a leer y la dirección de un
buffer de memoria local para depositar el contenido de la lectura solicitada. Al
igual que en la operación de escritura, después de cada operación de lectura se
actualiza la posición del puntero de L/E.
• 3RVLFLRQDPLHQWR. Esta operación permite establecer el valor del puntero de L/E
del fichero.
• %RUUDGR. Para borrar un fichero simplemente hay que indicar su nombre. El
sistema operativo busca el nombre en el directorio y libera el espacio que ocupa
en el disco y la propia entrada en el directorio.
La mayoría de estas operaciones requieren buscar en el directorio la entrada
correspondiente al nombre del fichero, y puesto que éste se encuentra en disco, da
lugar a que los tiempos de respuesta en las operaciones de L/E consuman un
tiempo muy significativo. Para evitar esta búsqueda constante, la mayoría de los
sistemas disponen de la operación DEULUILFKHUR.
Esta operación DEULU ILFKHUR debe realizarse antes que cualquier otra instrucción
sobre un fichero. Su cometido es copiar la entrada del directorio (en el disco) a la
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
)LFKHURV
6LVWHPDGH)LFKHURV
8Q)LFKHURHVXQDFROHFFLyQFRQQRPEUHGHLQIRUPDFLyQ
UHODFLRQDGDJUDEDGDHQPHPRULDVHFXQGDULD
3DUDHOXVXDULRHVOD
XQLGDGOyJLFDGLUHFFLRQDEOH
PiVSHTXHxDGHPHPRULD
VHFXQGDULD
3XHGHWHQHUFXDOTXLHUWLSR
GHLQIRUPDFLyQ
HVWUXFWXUDGDGHODPDQHUD
PiVFRQYHQLHQWH
(VXQWLSRDEVWUDFWRGHGDWRV
$WULEXWRV
2SHUDFLRQHV
1RPEUH
7LSR
8ELFDFLyQ
7DPDxR
3URWHFFLyQ
)HFKD\KRUD
FUHDFLyQDFFHVR
&UHDFLyQ
(VFULWXUD
/HFWXUD
3RVLFLRQDPLHQWR
$xDGLU
%RUUDU
5HQRPEUDU
&RSLDU
%~VTXHGDHQHO
'LUHFWRULR
$%5,5
7DEODGH
)LFKHURV$ELHUWRV
GHOSURFHVR
7DEODGH
)LFKHURV$ELHUWRV
GHOVLVWHPD
3XQWHURGH3RVLFLyQ$FWXDO
&RQWDGRUGH$SHUWXUDV
'LUHFFLyQHQHO'LVFR
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
&(55$5
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
WDEODGHILFKHURVDELHUWRV que se mantiene en memoria principal. De esta manera,
a partir de ese momento, cada operación con ese fichero ya no implica un acceso al
disco para obtener la información del directorio, sino que se obtiene directamente de
la tabla de ficheros abiertos, cuyo acceso es mucho más rápido. La operación de
apertura del fichero devuelve un GHVFULSWRUGHILFKHUR, el cual se debe suministrar,
en lugar del nombre, como un parámetro más en las llamadas a las posteriores
operaciones con ese fichero. El descriptor suele ser el índice de acceso a la tabla de
ficheros abiertos, con lo que la entrada del fichero se obtiene de forma inmediata.
Cuando un fichero no se va a utilizar más de forma activa, debe procederse a FHUUDU
HOILFKHUR, lo cual elimina o libera la entrada correspondiente de la tabla de ficheros
abiertos.
La implementación de las operaciones de abrir y cerrar ficheros se complica un poco
en el caso de sistemas multiusuarios, en los que varios usuarios pueden realizar
accesos concurrentes a un mismo fichero. En este caso, el sistema operativo
mantiene dos niveles de tablas de ficheros abiertos. La WDEOD ORFDO GHO SURFHVR
mantiene la información relativa al fichero según el uso del proceso, y suele consistir
en el puntero de posición de lectura/escritura, más un puntero a una entrada de la
WDEOD GHO VLVWHPD, la cual contiene información independiente de los procesos,
como por ejemplo: la dirección del fichero en el disco, fechas de acceso, tamaño,
etc. Una vez que se abre un fichero, las sucesivas aperturas por otros procesos
simplemente añaden una entrada en la tabla local con el correspondiente puntero a
su entrada en la tabla del sistema.
Normalmente, la tabla de ficheros abiertos del sistema contiene un contador de
aperturas en la entrada de cada fichero, indicando, en cada momento, el número de
procesos que lo tienen abierto. Cada operación de cierre del fichero borra la entrada
de la tabla local de ficheros abiertos y decrementa el contador de aperturas, de tal
forma que cuando alcanza el valor cero se borra la entrada del la tabla del sistema,
puesto que ya no lo utiliza ningún proceso.
(VWUXFWXUDGHORV)LFKHURV
Algunos sistemas operativos (de DEC e IBM) imponen la estructura interna de los
ficheros dependiendo del tipo de estos, y utilizan un método de acceso distinto para
cada una de las estructuras prefijadas que gestionan.
No obstante, hoy día la estructura de los ficheros suele ser independiente del
sistema operativo, concerniéndole únicamente al programa que lo crea o lo utiliza.
Este es el caso de Unix o MS-DOS, que consideran cada fichero como una
secuencia de bytes y no realizan ninguna interpretación de su contenido, por lo que
tampoco ofrecen ningún soporte para el tratamiento de los distintos tipos de
ficheros. Por esto, cada programa debe disponer de su propio código para
interpretar la estructura de los ficheros que maneja.
Sin embargo, todos los sistemas operativos deben soportar al menos la estructura
de un tipo de ficheros: los programas ejecutables, es decir, deben saber que un
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
programa ejecutable está compuesto por una secuencia de registros de carga que
contienen código máquina, instrucciones de reserva de espacio, constantes, etc.
Esta estructura debe conocerla el cargador de programas para saber las
necesidades de memoria del programa a cargar y la información a ubicar en
memoria.
También pueden contener lo que se conoce como UHFXUVRV y GDWRV. Para entender
lo que son recursos y datos, pensemos, por ejemplo, en un moderno procesador de
texto de tipo WYSIWYG (ZKDW \RX VHH LV ZKDW \RX JHW) en el que se dispone de
menús y ayuda en el idioma español (aunque el procesador esté diseñado en otro
país). El conjunto de texto de interfaz que tiene un programa, que es configurable
para cada país, puede estar en registros especiales del fichero ejecutable, formando
los GDWRV. También puede haber ciertos dibujos o imágenes que se muestran como
parte de la interfaz a modo de ERWRQHV o ayudas para utilización con el ratón,
formando lo que se conoce como UHFXUVRV.
0pWRGRVGH$FFHVR
Los ficheros almacenan información, y cuando se utilizan se debe acceder a esta
información para leerla y llevarla a la memoria principal. Hay varios métodos para
acceder a la información de los archivos. Algunos sistemas operativos ofrecen un
único método de acceso, mientras que otros, como los de IBM, soportan diferentes
métodos. La elección del más apropiado en cada caso es una cuestión de diseño a
tener muy en cuenta.
A continuación veremos los dos principales métodos de acceso: acceso secuencial y
acceso directo. No obstante, a partir del acceso directo pueden construirse algunas
variantes, como son el DFFHVRLQGH[DGR y el VHFXHQFLDOLQGH[DGR.
$FFHVR6HFXHQFLDO
En este modo de acceso (el más simple y común) la información se procesa en
orden secuencial, es decir, un registro detrás de otro.
La mayor parte de las operaciones de acceso a un fichero son lecturas y escrituras.
Una lectura consiste en leer la siguiente porción de texto y avanzar el puntero del
fichero que indica el punto actual de lectura/escritura. De forma similar, una escritura
añade información al final del fichero y avanza el puntero hasta el final de los datos
recién escritos, o sea, hasta el nuevo fin del fichero. También se puede realizar una
operación de “rebobinado” o retroceso hasta el principio del fichero, que pone el
puntero de L/E apuntando al comienzo de éste. Algunos sistemas también disponen
de operaciones para saltar registros hacia adelante y hacia atrás.
El modo de acceso secuencial está basado en el modelo de la cinta magnética, pero
puede utilizarse tanto en dispositivos de acceso secuencial (cintas) como en los de
acceso directo (discos).
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$FFHVR'LUHFWR
Los ficheros de acceso directo están compuestos por registros de longitud fija, de tal
forma que se permite que los programas puedan leer o escribir registros en
cualquier posición sin ningún orden concreto. Un ejemplo clásico de ficheros que
requieren este modo de acceso son los de bases de datos.
Para poder realizar un acceso directo a un fichero, se requiere que el dispositivo que
lo soporta sea de acceso directo, como el disco magnético, que permite acceder a
cualquier punto de su superficie sin recorrer todos los anteriores.
Un fichero de acceso directo se ve como una secuencia numerada de registros en la
que se permite leer o escribir cualquiera de ellos, indicando simplemente su número
de orden. Por esto, las operaciones de L/E deben especificar, como un parámetro
más, el número del registro al que desean acceder, o bien realizar en primer lugar
una operación de posicionamiento y a continuación una operación de lectura o
escritura convencional (sin número de registro). El número de orden suele ser un
número relativo al comienzo del fichero, y dado que los registros son de longitud fija
y se conoce la dirección de comienzo del fichero, resulta inmediato el cálculo de la
posición de cualquier registro.
Algunos sistemas que disponen de ambos tipos de acceso (secuencial y directo)
indican en el momento de creación del fichero el tipo de acceso permitido, de tal
forma que si se declara como de acceso directo luego no se puede tratar
secuencialmente; pero no obstante, con acceso directo siempre se puede simular
fácilmente un acceso secuencial.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
)LFKHURV
6LVWHPDGH)LFKHURV
(6758&785$'(/26),&+(526
1RUPDOPHQWHODHVWUXFWXUDLQWHUQDGHORVILFKHURVHV
LQGHSHQGLHQWHGHO62\OHFRQFLHUQHVRODPHQWHDO
SURJUDPDGHDSOLFDFLyQTXHORFUHD\ORXWLOL]D
(O62LPSRQHODHVWUXFWXUDGHORVGLUHFWRULRV\
GHORVSURJUDPDVHMHFXWDEOHV
6HFXHQFLDGHUHJLVWURV
GHFDUJD
5HFXUVRV\'DWRV
0e72'26'($&&(62
+$FFHVR6HFXHQFLDO
3 /DLQIRUPDFLyQGHOILFKHURVHSURFHVDHQRUGHQSRVLFLRQDO
8QUHJLVWURGHWUiVGHRWUR
3ULQFLSLR
3RVLFLyQ$FWXDO
5HERELQDU
3 6HXWLOL]DHQGLVSRVLWLYRV
)LQ
/HHU(VFULELU
6HFXHQFLDOHV
'H$FFHVR'LUHFWR
+$FFHVR'LUHFWR
3 (OILFKHURHVWiIRUPDGRSRUUHJLVWURVGHORQJLWXGILMD\
ORVSURJUDPDVSXHGHQDFFHGHUUiSLGDPHQWHDFXDOTXLHU
UHJLVWURVLQQLQJ~QRUGHQSDUWLFXODUHMEDVHVGHGDWRV
3 /DVRSHUDFLRQHVGH/(LQFOX\HQHOQžGHUHJLVWUR
RVHUHTXLHUHXQDLQVWUXFFLyQGHSRVLFLRQDPLHQWR
3 (QXQVLVWHPDGHDFFHVRGLUHFWRHVIiFLOVLPXODUHODFFHVR
VHFXHQFLDO
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
'LUHFWRULRV
Los sistemas de ficheros pueden ser muy extensos, por lo que se requiere alguna
organización. Normalmente esta organización se realiza en dos niveles: particiones
y directorios (Figura 5).
En primer lugar, el sistema de ficheros se divide en SDUWLFLRQHV o volúmenes, de tal
forma que cada disco contiene una o más particiones. En algunas ocasiones las
particiones se utilizan para proporcionar áreas separadas de disco, tal que se tratan
como dispositivos diferentes, mientras que otras veces se tienen particiones que
ocupan más de un dispositivo, agrupando varios discos en una única estructura
lógica, abstrayéndole al usuario de la representación física de la estructura de
ficheros.
Cada partición debe incluir información o atributos sobre los ficheros que contiene.
Estos atributos se guardan en el GLUHFWRULR. Los atributos de un fichero son datos
como el nombre, tamaño, tipo, dirección en el disco, etc. De hecho, el directorio es
una tabla que asocia cada nombre de fichero con sus atributos.
Las operaciones que se pueden realizar con un directorio están referidas a la
gestión de ficheros (no al contenido de los ficheros). Así, tenemos operaciones
como las siguientes:
• &UHDU XQ ILFKHUR. Al crear un fichero se debe añadir una entrada en el
directorio.
• %RUUDUXQILFKHUR. Cuando ya no se necesitan los datos de un archivo, se debe
borrar la entrada correspondiente del directorio.
• &DPELDU HO QRPEUH GH XQ DUFKLYR. Si cambia el contenido o el uso de un
fichero, se debe poder cambiar su nombre.
• %XVFDU XQ ILFKHUR. Para realizar cualquiera de las acciones anteriores, la
gestión de un directorio debe ofrecer un mecanismo de búsqueda rápida de la
entrada del directorio correspondiente a cada fichero.
• /LVWDUXQGLUHFWRULR. Se debe poder obtener la lista de todos los ficheros de un
directorio, con sus atributos correspondientes.
• 5HFRUUHU WRGR HO VLVWHPD GH ILFKHURV. A veces se realizan operaciones que
abarcan a todos los ficheros de un directorio, como por ejemplo cuando se
realiza una copia de seguridad de todo un sistema de ficheros.
(VWUXFWXUDVGH'LUHFWRULRV
Por lo que hemos visto hasta ahora, en un disco puede haber una o varias
particiones, dentro de cada cual se encuentra una serie de ficheros, cuyos nombres
y atributos están contenidos en un único directorio. Pero es muy posible que el
número de los ficheros que comprende una partición sea muy elevado, y
seguramente con contenidos muy heterogéneos, por lo que el trabajo con una lista
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
'LUHFWRULRV
6LVWHPDGH)LFKHURV
/RVVLVWHPDVGHILFKHURVSXHGHQVHUPX\H[WHQVRV
+D\TXHRUJDQL]DUORVILFKHURV
'LUHFWRULR
'LUHFWRULR
3DUWLFLyQ%
3DUWLFLyQ$
)LFKHURV
)LFKHURV
'LUHFWRULR
3DUWLFLyQ&
',6&2
)LFKHURV
',6&2
(O'LUHFWRULRFRQWLHQHHOQRPEUHWLSRGLUHFFLyQWDPDxRHWF
GHORVILFKHURVGHODSDUWLFLyQ
MXHJRV
FRUUHR
OLEUR
WUDEDMR
DWULEXWRV
DWULEXWRV
DWULEXWRV
DWULEXWRV
MXHJRV
FRUUHR
OLEUR
WUDEDMR
DWULEXWRV
DWULEXWRV
DWULEXWRV
DWULEXWRV
2SHUDFLRQHVFRQ'LUHFWRULRV
%XVFDU)LFKHUR
&UHDUXQ)LFKHUR
%RUUDUXQ)LFKHUR
/LVWDU'LUHFWRULR
&DPELDU1RPEUHGH)LFKHUR
5HFRUUHUHO6LVWHPDGH)LFKHURV
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
muy grande de ficheros puede resultar engorroso. Por ello, puede ser conveniente
organizar los ficheros en jerarquías, según su contenido o con cualquier otro criterio.
Esto quiere decir que se necesitan estructuras de directorios dentro de cada
partición. Veamos a continuación las más usuales.
'LUHFWRULRGHXQ1LYHO
La estructura más simple es, desde luego, la que consta de un único directorio por
partición. Ya que todos los ficheros están en el mismo directorio, resulta fácil de
implementar y mantener.
Los problemas con los directorios de un solo nivel aparecen cuando se comparte
entre varios usuarios, pues ya que todos los ficheros están en el mismo directorio
deben tener nombres distintos para poder distinguirlos, lo cual resulta problemático
cuando dos usuarios quieren llamar WHVW a su fichero de pruebas.
Incluso con un único usuario, a medida que aumenta el
empieza a resultar difícil asignarles nombres únicos, pues,
sistemas la longitud de los nombres está bastante limitada
caracteres); otros sistemas, como Unix, permiten hasta
caracteres.
número de ficheros,
además, en algunos
(MS-DOS permite 11
un máximo de 255
'LUHFWRULRGH'RV1LYHOHV
El principal problema que presentan los directorios de un solo nivel es la colisión de
nombres de ficheros de distintos usuarios. La solución obvia es crear directorios
separados para cada usuario.
En la estructura de directorios de dos niveles, hay un Directorio Maestro y múltiples
Directorios de Usuario (DU). Todos los DU’s tienen la misma estructura, pero cada
uno de ellos contiene los nombres de fichero de un único usuario. Cuando un
usuario se conecta al sistema, se busca en el Directorio Maestro, indexando en éste
por el nombre o su número de cuenta, obteniendo una entrada que apunta a su DU.
Cuando un usuario se refiere a un cierto fichero, solamente se busca en su
directorio de usuario, por lo que diferentes usuarios pueden tener ficheros con el
mismo nombre con tal de que todos los nombres dentro de cada directorio de
usuario sean únicos.
La estructura de dos niveles resuelve el conflicto de la colisión de nombres de
distintos usuarios, pero todavía tiene algunos inconvenientes. Como hemos visto,
con dos niveles de directorios se aísla a los usuarios entre sí, lo cual es una ventaja
cuando los usuarios son completamente independientes, pero puede suponer
ciertas trabas cuando un grupo de usuarios quieren cooperar en alguna tarea y
necesitan acceder a ciertos ficheros con datos comunes. En algunos sistemas no se
permite acceder a ficheros que no sean del propio directorio de usuario, otros sí lo
toleran. En este último caso, para referenciar un directorio hay que indicar su
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
(VWUXFWXUDVGH'LUHFWRULRV
'LUHFWRULRV
'LUHFWRULR
correo
protocol pruebas
bin
libro
proyecto
)LFKHURV
'LUHFWRULRGHXQ1LYHO
'LUHFWRULR
0DHVWUR
antonio
'LUHFWRULR
datos bin libro test
GH8VXDULRV
paco
pilar
so1
carmen
hex abc
datos bin
lec
(VWUXFWXUDGH'LUHFWRULRVGH'RV1LYHOHV
sistema
datos
prog
p1
usr
lib
p2
v1
cont
antonio
datos
bin
libro
cap1
cap2
cap3
paco
pilar
so1
hex
abc
p3
v2
notas
trans
(VWUXFWXUDGH'LUHFWRULRVHQÉUERO
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
FDPLQR completo desde la raíz del sistema, es decir, hay que hacer constar el
nombre del usuario propietario del fichero seguido del nombre del fichero. La
sintaxis para expresar el camino completo de acceso a un fichero varía con cada
sistema.
Un caso especial del problema de la compartimiento de ficheros se produce con los
ficheros del sistema, o sea, aquellos programas que se proporcionan como parte del
sistema operativo (cargadores, ensambladores, bibliotecas de programas, etc.),
programas que normalmente se ofrecen en la forma de ficheros ejecutables.
Cuando se teclea un comando, el intérprete de comandos del sistema operativo
trata el nombre del comando como el nombre de un fichero, procediendo a
continuación a cargarlo y ejecutarlo; pero claro, lo busca en el directorio del usuario
actual, por lo que habría que copiar a cada usuario todos los ficheros del sistema
para poder ejecutar los comandos. Parece obvio que la copia de todos los ficheros
del sistema a todos los usuarios sería un enorme desperdicio de espacio.
La solución a este problema es complicar ligeramente el mecanismo de búsqueda
de ficheros. Se tiene un directorio de usuario especial que contiene los ficheros del
sistema (por ejemplo, el usuario 0). Siempre que se escribe un comando en el
teclado, el sistema operativo busca el nombre de fichero correspondiente en el
directorio del usuario y si no lo encuentra procede a buscarlo en el directorio del
usuario 0. A la secuencia de directorios en los que se realiza la búsqueda de un
fichero se le conoce con el nombre de FDPLQR GH E~VTXHGD. Esta idea se puede
ampliar, para que el camino de búsqueda contenga una lista de directorios a ser
explorados en la búsqueda cuando se escribe un comando en el terminal. Este
método lo utilizan sistemas como Unix y MS-DOS.
'LUHFWRULRVHQÉUERO
Una vez que hemos representado los directorios de dos niveles como un árbol de
dos niveles, la generalización natural es extender la estructura de directorios a un
árbol de profundidad arbitraria. Esta generalización permite a los usuarios crear sus
propios directorios, para organizar sus ficheros con cualquier estructura deseada.
El árbol de directorios tiene un GLUHFWRULR UDt], el cual puede contener ficheros y
subdirectorios. (Estrictamente hablando, “directorio” es el que se encuentra en la
raíz del sistema de ficheros, mientras que los “subdirectorios” son los directorios de
los demás niveles. No obstante, aquí nos referiremos a ambos de forma indistinta).
Un directorio es simplemente otro fichero, pero con una estructura interna conocida
por el sistema operativo, el cual lo trata de forma especial. Para saber si un fichero
contiene datos o es un directorio, un campo de la correspondiente entrada del
directorio que lo contiene indica el tipo de fichero (datos/directorio).
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
1RPEUHGH&DPLQR\'LUHFWRULRGH7UDEDMR
En la estructura de árbol de directorios, cada fichero tiene un único nombre
completo o QRPEUHGHFDPLQR. El nombre de camino suele estar formado por tres
partes (Figura 7):
- Partición
- Directorio
- Nombre de fichero
Donde 'LUHFWRULR es la secuencia de directorios por los que hay que atravesar,
desde la raíz, para llegar al subdirectorio que lo contiene. Como se puede ver en la
Figura 7, los tres componentes del camino suelen formar una ristra de caracteres sin
blancos y separados por algún carácter especial. El propio nombre del fichero figura
como último componente del nombre completo.
El inconveniente que se le puede presentar a un usuario es que el acceso a ciertos
ficheros muy utilizados puede resultar muy engorroso, por tener que estar
suministrando continuamente nombres de camino absolutos (desde la raíz). En un
momento determinado, se dice que cada usuario está trabajando con los ficheros de
su GLUHFWRULRGHWUDEDMR (en uno de los subdirectorios de su estructura). Esto quiere
decir que si se hace referencia a un fichero únicamente por su nombre, el sistema
busca el fichero en el directorio de trabajo actual, y no hay necesidad de estar
utilizando el nombre completo (camino desde la raíz). Para esto, los sistemas
operativos ofrecen comandos (cd en Unix y MS-DOS) para poder establecer el
directorio de trabajo más apropiado a las necesidades de cada momento.
Otra forma de referenciar ficheros es utilizando caminos relativos, es decir, el
camino que hay desde el directorio de trabajo (no desde la raíz) hasta el fichero en
cuestión.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
'LUHFWRULRV
6LVWHPDGH)LFKHURV
¢&yPR5HIHUHQFLDUXQ)LFKHURGHOÉUERO"
,QGLFDQGRVX&DPLQR$EVROXWR
/bin/juegos/aviones/topgun
c:\bin\juegos\aviones\topgun
)LFKHUR
'LUHFWRULR
3DUWLFLyQ
(ODFFHVRDEVROXWRDILFKHURVPX\XWLOL]DGRVHVWHGLRVR
SRUHOFDPLQRGHE~VTXHGD
'LUHFWRULRGH7UDEDMR&DPLQR5HODWLYR
cd /bin/juegos/aviones
topgun
doom
. . .
. . .
cp topgun /copias/juegos
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
0HFDQLVPRVGH3URWHFFLyQ
La información de los ficheros que se mantienen en memoria secundaria debe
protegerse tanto de los daños físicos como de un acceso indebido. Para que un
dispositivo de memoria secundaria tenga protegidos sus datos frente a daños
físicos, debe tener ILDELOLGDG; mientras que para evitar un acceso indebido a los
datos, debe ofrecer mecanismos de SURWHFFLyQ.
Los ficheros pueden deteriorarse por problemas del hardware (como errores de
lectura o escritura), fallos de alimentación, polvo, temperaturas extremas, etc.,
incluso pueden borrarse accidental o malintencionadamente. La fiabilidad del
sistema ante estas situaciones normalmente viene dada mediante la duplicación de
la información. Las salvaguardas pueden realizarse manualmente o
automáticamente. En este último caso el sistema realiza las copias de seguridad a
intervalos regulares de tiempo sin intervención alguna del operador.
Aquí vamos a centrarnos, principalmente, en los mecanismos de protección que
deben ofrecerse en entornos multiusuario.
La necesidad de proteger los ficheros es consecuencia directa de la posibilidad de
acceso a los mismos. En los sistemas que no permiten acceder a ficheros de otros
usuarios, la protección no es necesaria. Este es un extremo, es decir, proporcionar
protección completa prohibiendo el acceso de otros usuarios. El otro extremo es
ofrecer un acceso libre sin ningún tipo de protección. Estos dos enfoques son
demasiado radicales, obviamente lo que se requiere es un DFFHVRFRQWURODGR.
Los mecanismos de protección controlan el acceso a los ficheros limitando los tipos
de acceso que se pueden realizar. Algunas de las operaciones básicas que se
pueden realizar con los ficheros son:
•
•
•
•
/HHU de un fichero.
(VFULELU o sobreescribir en un fichero.
(MHFXWDU un fichero. O sea, cargarlo en memoria y ejecutarlo.
/LVWDU el nombre y otros atributos de un fichero.
Pueden encontrarse diversos sistemas de protección, donde cada uno tiene
ventajas e inconvenientes, y se debe seleccionar uno dependiendo del número de
usuarios y el tipo de aplicaciones. Veamos a continuación los dos más utilizados.
/LVWDVGH$FFHVR\*UXSRV
La solución más común al problema de la protección suele consistir en hacer que el
permiso de acceso dependa de la identidad del usuario, puesto que distintos
usuarios pueden necesitar distintos permisos de acceso a un mismo fichero. Así,
una cosa que se puede hacer es asociar una OLVWD GH DFFHVR a cada fichero o
directorio, indicando en ella el nombre de cada usuario autorizado con sus
respectivos permisos de acceso (lectura, escritura, ejecución).
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
3URWHFFLyQ
6LVWHPDGH)LFKHURV
/DLQIRUPDFLyQHQPHPRULDVHFXQGDULD
VHGHEHSURWHJHUGHO
'DxR)tVLFR
$FFHVR,QGHELGR
)LDELOLGDG
3URWHFFLyQ
%DFNXS
62/8&,21(6
/LEUH
$FFHVR
3URKLELUHODFFHVR
DRWURVXVXDULRV
$FFHVR
&RQWURODGR
/RVPHFDQLVPRVGHSURWHFFLyQFRQWURODQ
HODFFHVRDORVILFKHURV
OLPLWDQGRORVWLSRVGHRSHUDFLRQHVTXHVHSXHGHQUHDOL]DU
/((5
(-(&87$5
(6&5,%,5
%255$5
$f$',5
/,67$5$75,%8726
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
Cuando un usuario solicita el acceso a un fichero, el sistema operativo comprueba la
lista de acceso asociada al fichero. Si el usuario figura en la lista con el permiso
oportuno, se le concede el acceso; en caso contrario, se le deniega. Este sistema de
protección lo utiliza el sistema operativo VMS de Digital y Windows-NT.
El principal problema de las listas de acceso se debe a su tamaño. Si se quiere
permitir que todo el mundo pueda leer un fichero, se deben enumerar todos los
usuarios con su correspondiente permiso, lo cual genera dos desafortunadas
consecuencias:
• La construcción de la lista puede ser una labor tediosa, sobre todo si no se
conoce con antelación la relación de todos los usuarios del sistema. Además,
cada vez que se da de alta un nuevo usuario, hay que actualizar las listas de
acceso de todos los ficheros públicos del sistema.
• Las entradas del directorio, tienen que ser de tamaño variable, con lo que su
gestión resulta más complicada.
Estos problemas pueden resolverse si se utiliza una versión condensada de la lista
de acceso, es decir, clasificar a todos los usuarios del sistema en tres grupos:
• 3URSLHWDULR: el usuario que creó el fichero.
• *UXSR: el conjunto de usuarios que comparten el fichero y requieren permisos
similares.
• 8QLYHUVR: el resto de los usuarios del sistema
A cada uno de estos conjuntos de usuarios se les puede definir permisos de lectura,
escritura y ejecución, por lo que se requieren tan solo 9 bits para indicar los
permisos de acceso de cada fichero para todos los usuarios del sistema.
Este tipo de protección, utilizado en Unix, implica que se debe poder crear grupos de
trabajo, lo cual es tarea del administrador del sistema. La asignación de los
permisos a cada una de estas tres categorías de usuarios es responsabilidad del
propietario del fichero.
Windows NT también dispone de grupos de usuarios, para evitar el problema de las
altas y actualizaciones de usuarios en grupos de trabajo.
No debemos olvidar que los directorios también son ficheros, pero los permisos que
se les puede asignar difieren de aquellos de los ficheros de datos. A un directorio se
le puede poner permisos de acceso, entre otras cosas, para:
• Poder crear y borrar directorios.
• Poder listar su contenido (nombres de fichero y sus atributos).
• Poder pasar a través de él para acceder a ficheros de subdirectorios suyos.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
3URWHFFLyQ
6LVWHPDGH)LFKHURV
/RVSHUPLVRVGHDFFHVR
GHSHQGHQGHODLGHQWLGDGGHOXVXDULR
&DGDILFKHURRGLUHFWRULRSXHGHWHQHUDVRFLDGD
XQDOLVWDGHDFFHVRFRQORVQRPEUHV\SHUPLVRV
GHORVXVXDULRVDXWRUL]DGRV
,1&219(1,(17(6
&RQVWUXFFLyQWHGLRVDSDUD
GDUSHUPLVRDWRGRVORV
XVXDULRV
(QWUDGDVGHOGLUHFWRULR
GHOORQJLWXGYDULDEOH
*HVWLyQGHOHVSDFLR
PiVFRPSOLFDGD
£62/8&,Ð1
&RQGHQVDUOD/LVWDGH$FFHVR
HQ1LYHOHV
+
3523,(7$5,2
*5832
5(672'(868$5,26
UZ[
UZ[
UZ[
à (OSURSLHWDULRGHOILFKHURHVWDEOHFHORVSHUPLVRV
à (ODGPLQLVWUDGRUGHOVLVWHPDJHVWLRQDORVPLHPEURVGHOJUXSR
/RVGLUHFWRULRVWDPELpQGHEHQWHQHUSHUPLVRVGHDFFHVR
3&UHDFLyQ\ERUUDGRGHGLUHFWRULRV
3/LVWDGRGHGLUHFWRULRVILFKHURV\VXVDWULEXWRV
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
,PSOHPHQWDFLyQGHO6LVWHPDGH)LFKHURV
Habiendo visto en los apartados anteriores las características que ofrece el sistema
de ficheros, pasaremos a abordar ciertas cuestiones relativas a su implementación
sobre el dispositivo más común de memoria secundaria: el disco magnético.
Trataremos diversos modos de asignación del espacio de disco y de su
recuperación cuando se libere. También veremos mecanismos para llevar la cuenta
del espacio de disco libre y ocupado.
(VWUXFWXUDGHO6LVWHPDGH)LFKHURV
En esencia, en cuanto a la gestión de ficheros, el sistema operativo debe
encargarse de las siguientes funciones:
1. Traducción y representación de nombres de fichero a direcciones en el
dispositivo de memoria secundaria.
2. Administración del espacio del disco. Encargándose tanto de la
asignación/recuperación del espacio como de llevar la cuenta del espacio libre.
3. Organización de la estructura de directorios.
Para llevar a cabo estas funciones, el sistema de ficheros está compuesto por una
estructura de varios niveles, donde cada uno tiene su propio cometido y se apoya en
el nivel inferior. Veamos algunas características de estos niveles que se indican en
la Figura 10-inferior.
• 'LVSRVLWLYRV. Los discos magnéticos se suelen utilizar como dispositivos de
memoria secundaria sobre los que se mantienen los sistemas de ficheros. Para
mejorar la eficiencia en el acceso, las transferencias de datos entre la memoria
principal y el disco se realizan en unidades denominadas EORTXHV, donde cada
uno de los cuales está compuesto de uno o más sectores. El tamaño de los
sectores varía de 32 a 4096 bytes, y normalmente suele ser de 512 ó 1024 bytes.
Los discos tienen ciertas características que los convierten en un medio
adecuado para el almacenamiento de múltiples ficheros:
− Puede contener una gran cantidad de datos permanentemente.
− Se puede acceder directamente a cualquier bloque de información.
− Es fácil modificar la información, es decir, resulta muy sencillo leer un bloque
de disco, modificarlo y volver a escribirlo en la misma dirección que ocupaba.
• &RQWURO de (6. Este nivel, muy dependiente del hardware, lo componen los
GULYHUV de dispositivo y las rutinas de tratamiento de sus interrupciones. Un GULYHU
de dispositivo es el programa que sabe traducir órdenes de alto nivel a los
comandos correspondientes del hardware propio del disco utilizado, es decir,
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
comandos dirigidos a los registros o puertos del controlador del disco, para
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDGH)LFKHURV
,PSOHPHQWDFLyQ
+(O6LVWHPDGH)LFKHURVUHVLGHHQPHPRULDVHFXQGDULDSRUTXH
3 3XHGHFRQWHQHUJUDQFDQWLGDGGHGDWRVSHUPDQHQWHPHQWH
3 6HSXHGHDFFHGHUGLUHFWDPHQWHDFXDOTXLHUEORTXHGH
LQIRUPDFLyQ
3 (VIiFLOPRGLILFDUODLQIRUPDFLyQ
+(O6LVWHPD2SHUDWLYRGHEHSUHRFXSDUVHGH
3 7UDGXFFLyQ\UHSUHVHQWDFLyQGHQRPEUHV
$VLJQDFLyQ5HFXSHUDFLyQ
GHOHVSDFLRGHOGLVFR
3 *HVWLyQGHOHVSDFLR
*HVWLyQGHOHVSDFLROLEUH
3 /DHVWUXFWXUDGHORVGLUHFWRULRV
3URJUDPDVGH$SOLFDFLyQ
6LVWHPD/yJLFRGH)LFKHURV
0yGXORGH2UJDQL]DFLyQGH)LFKHURV
6LVWHPD%iVLFRGH)LFKHURV
&RQWUROGH(6
(VWUXFWXUDGHXQ
6LVWHPDGH)LFKHURV
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
'LVSRVLWLYRV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
realizar posicionamiento de cabezas sobre pistas, búsqueda de sectores,
formateo de pistas, comprobación de códigos de detección de errores, etc.
• 6LVWHPD EiVLFR GH ILFKHURV. Aquí se realiza la traducción de las ordenes de
lectura/escritura de bloques en comandos genéricos de acceso en los que se
traducen los números de bloque a direcciones de disco del tipo “disco 1, cilindro
27, pista 12, sector 4”.
• 0yGXOR GH RUJDQL]DFLyQ GH ILFKHURV. La función de este módulo es la
traducción de bloques lógicos en bloques físicos, así como de la gestión del
espacio libre del disco (métodos de asignación de espacio y administración del
espacio libre).
• 6LVWHPD OyJLFR GH ILFKHURV. Este nivel se encarga, por último, de la estructura
de directorios, incluyendo los mecanismos de protección y seguridad vistos
anteriormente.
$VLJQDFLyQGHO(VSDFLR/LEUH
En un disco magnético, por su gran capacidad, se almacenan una gran cantidad de
ficheros. El principal problema que se presenta es cómo asignar espacio a estos
ficheros de tal forma que el espacio del disco se utilice eficientemente (sin
desperdiciarlo) y sin perjuicio de la velocidad de acceso a todos los datos
componentes de cada fichero.
Veamos a continuación los tres métodos de asignación de espacio más utilizado:
asignación contigua, encadenada e indexada.
$VLJQDFLyQ&RQWLJXD
Con este método se requiere que cada fichero ocupe una serie de bloques
contiguos en el disco. Ya que los bloques están adyacentes, no se requieren
movimientos de la cabeza lectora para pasar de un bloque a otro, excepto en el
cambio a la pista siguiente en cuyo caso el movimiento es mínimo. Esto quiere decir
que el tiempo de posicionamiento no es significativo.
Puesto que los bloques ocupados por un archivo son consecutivos, en las entradas
del directorio solamente se necesita indicar el bloque de comienzo y la longitud del
fichero (Figura 11).
Con este sistema de asignación de espacio se soporta bien cualquier método de
acceso. Para realizar un acceso secuencial, simplemente se requiere que el sistema
operativo lleve la cuenta del último bloque accedido, para pasar al siguiente en la
próxima operación de lectura/escritura. En cuanto al acceso directo, también es
inmediato; ya que el tamaño de los bloques es fijo, solamente es necesaria una
multiplicación para calcular la dirección de cualquier bloque de un fichero.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$VLJQDFLyQGH(VSDFLR
,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
0pWRGRVGH$VLJQDFLyQ
GH(VSDFLR
+D\TXHSUHRFXSDUVHGH
8WLOL]DFLyQ(IHFWLYD
$FFHVR5iSLGR
3$VLJQDFLyQ&RQWLJXD
3/LVWD(QFDGHQDGD
3$VLJQDFLyQ,QGH[DGD
+$VLJQDFLyQ&RQWLJXD
&DGDILFKHURVHDOPDFHQDHQEORTXHV
FRQWLJXRVGHGDWRVHQHOGLVFR
0
carta
1
2
4
5
6
8
9
10
12
13
16
20
17 18
libro
21 22
24
25
28
29
9(17$-$6
),&+(52
3
fi
7
carta
fi
prog
libro
lista
11
prog
14 15
19
23
',5
/21*
0
6
14
19
28
2
2
3
6
4
26 27
lista
30 31
)iFLOGHLPSOHPHQWDU
%XHQDVSUHVWDFLRQHV
,1&219(1,(17(6
à $FFHVRGLUHFWR
à $FFHVRVHFXHQFLDO
¢&XiOVHUiHOWDPDxRPi[LPRGHOILFKHUR"
)UDJPHQWDFLyQ([WHUQD
5HTXLHUH&RPSDFWDFLyQ
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
Los problemas que presenta esta asignación contigua aparecen a la hora de
encontrar espacio en el disco para un nuevo fichero. El problema de la asignación
del espacio de disco es similar al de la gestión de memoria principal, en el que hay
que satisfacer una petición de tamaño Q a partir de una lista de huecos libres. Así, HO
SULPHUR TXH VLUYD o HO TXH PHMRU VH DGDSWH son los algoritmos más comúnmente
utilizados. El inconveniente que presentan estos algoritmos es la fragmentación
externa, pues a medida que se crean y borran ficheros el espacio libre del disco se
va descomponiendo en huecos cada vez más pequeños (no aprovechables). La
única solución a este problema es la compactación, pero por su alto coste en
tiempo, raramente se suele realizar.
Otro gran problema de esta asignación contigua es cómo determinar cuánto espacio
se va a necesitar para un fichero, es decir, cómo saber en el momento de la
creación de un fichero cuál va a ser su tamaño máximo. Cuando el fichero va a ser
la copia de otro existente, no es ningún problema, pero cuando se trata de la
creación del fichero de salida de una aplicación, puede resultar difícil hacer una
estimación. Si se le asigna poco espacio, pronto nos podemos encontrar con que el
fichero no se puede ampliar, en cuyo caso habría que volver a realizar el proceso de
creación desde del principio, eligiendo un área inicial mayor; o mover o copiar el
fichero a otra área del disco con un mayor tamaño, lo cual puede consumir un
tiempo considerable.
Incluso aunque se conozca por adelantado el tamaño final de un archivo, obsérvese
que si el tamaño final es muy grande pero crece muy despacio, va a haber durante
mucho tiempo un área de disco asignada a un fichero e inutilizada (hasta que el
fichero crezca y la llene), o lo que es lo mismo, se va a producir fragmentación
interna.
/LVWD(QFDGHQDGD
Como se puede ver en la Figura 12, con este método de asignación, cada fichero
está compuesto por una lista de bloques encadenados, de tal forma que ahora cada
bloque puede estar situado en cualquier lugar del disco. Por ejemplo, un fichero
puede comenzar en el bloque número 7, continuar en el 24, después el 12, y por
último terminar en el 5. Cada bloque debe contener un puntero al siguiente bloque
de la lista. Obviamente, estos punteros no están accesibles al usuario, pero si cada
bloque es de 512 bytes, por ejemplo, y cada puntero requiere 4 bytes, el área de
datos de cada bloque queda reducida a 508 bytes.
De esta manera, en las entradas del directorio solamente hay que indicar cuál es el
primero y el último bloque de cada fichero.
Con la asignación mediante lista encadenada, ya no se produce fragmentación
externa, y cualquier bloque libre puede aprovecharse para satisfacer una petición de
espacio. Nótese también que ahora no es necesario indicar el tamaño en la creación
de un fichero; a medida que va creciendo se van añadiendo bloques a su lista
encadenada y, desde luego, nunca se requiere una compactación.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$VLJQDFLyQGH(VSDFLR
,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
+/LVWD(QFDGHQDGD
(OILFKHURVHJXDUGDHQXQDOLVWD
HQFDGHQDGDGHEORTXHVGHGLVFR
'LUHFWRULR
),&+(52
&20,(1=2
),1
9
25
pipo
9(17$-$6
0
1 10 2
3
36LQSUREOHPDVGHFUHFLPLHQWR
4
5
7
31RKD\IUDJPHQWDFLyQH[WHUQD
8
9 16 10 25 11
12
6
,1&219(1,(17(6
13
14
15
16 1 17
18
19
3,QHILFLHQWHSDUDDFFHVRGLUHFWR
20
21
22
23
3(VSDFLRSDUDORVSXQWHURV
24
25 -1 26
27
28
29
31
30
&OXVWHUV
J0HQRVHVSDFLRSDUDSXQWHURV
J0HMRUDHO7DFFHVR
L0D\RUIUDJPHQWDFLyQ
30HQRV)LDEOH
/D)$76ROXFLRQDHO3UREOHPDGHO$FFHVR'LUHFWR
(QWUDGDGHO
'LUHFWRULR
test
nombre
217
comienzo
J0HQRVPRYLPLHQWRVGHFDEH]DV
QLO
J/D)$7SXHGHFDUJDUVHHQ5$0
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
...
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
No obstante, también presenta ciertos inconvenientes. El principal es que solamente
se puede utilizar eficientemente para acceso secuencial, pues para acceder al
enésimo bloque de un fichero, es necesario empezar por el primer bloque e ir
recorriéndolos uno por uno hasta llegar el bloque Q, y teniendo en cuenta que los
bloques están dispersos en el espacio de direcciones, cada acceso a un bloque para
leer el puntero al siguiente puede consumir un tiempo muy significativo.
Además, aunque es un mal menor, se debe tener en cuenta que los punteros
consumen espacio, así, en un bloque de 512 bytes, si el puntero ocupa 4 bytes, se
requiere un 0,78% del disco dedicado a espacio para punteros. Este problema suele
solventarse utilizando FOXVWHUV como unidades de asignación. Un FOXVWHU es un
grupo de Q bloques, de tal forma que en cada FOXVWHU hay un puntero indicando la
dirección del siguiente FOXVWHU de datos. Claramente, el espacio dedicado a punteros
queda dividido por Q. Además de esto, se mejora el tiempo dedicado a
posicionamiento, ya que en cada FOXVWHU los Q bloques están consecutivos; y
también disminuye el tamaño de la lista de bloques libres, pues están agrupados de
Q en Q. El problema de los FOXVWHUV es que generan fragmentación interna. No
obstante, se suelen utilizar en la mayoría de los sistemas operativos.
Un último problema que presenta la lista encadenada es la fiabilidad. Ya que los
bloques de datos de un fichero están formados por una lista de punteros dispersos
por el disco, la pérdida o daño de uno de ellos ocasiona también la pérdida de la
información del fichero contenida en los restantes bloques de la lista. Hay algunas
soluciones parciales, como la utilización de listas de doble enlace, pero también
generan una mayor sobrecarga en el tiempo de gestión de la lista.
Una importante variación de este método de asignación es la utilización de la 7DEOD
GH $VLJQDFLyQ GH )LFKHURV (FAT). Este sistema, utilizado por MS-DOS y OS/2,
consiste en tener una tabla al comienzo de cada partición del disco, la cual contiene
una entrada por cada bloque del disco, y están ordenadas por número de bloque. Si
nos fijamos en la parte inferior de la Figura 12 podemos ver que la entrada de la
tabla correspondiente al primer bloque de un fichero contiene el número del
siguiente bloque; la entrada de ese siguiente bloque contiene a su vez la dirección
del siguiente, y así sucesivamente hasta llegar a una entrada cuyo contenido es QLO,
indicando el fin de la lista encadenada. Los bloques no utilizados para ningún fichero
aparecen con un 0 en la FAT, indicando que están libres.
Un beneficio inmediato de la FAT es que mejora significativamente el tiempo de
acceso directo, pues las búsquedas se realizan sobre la tabla, no sobre los bloques
del disco. Para mejorar las prestaciones de este sistema, conviene tener cargada la
FAT en memoria principal o caché, para evitar así acceder al disco en la gestión de
la tabla.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$VLJQDFLyQ,QGH[DGD
La asignación indexada trata de solventar los problemas de la lista encadenada con
el acceso directo. Para ello, lo que hace es reunir todos los punteros
correspondientes a los bloques de un fichero en un único lugar: el EORTXH GH
tQGLFHV (Figura 13).
Cada fichero tiene su propio bloque de índices, que consiste en un vector ordenado
de los números de bloque del fichero, de tal forma que la enésima entrada del vector
contiene el número del enésimo bloque del fichero. Como se puede apreciar, este
esquema es similar al de la paginación de memoria principal, en el que nos
servíamos de una tabla de páginas.
Cuando se crea el fichero, todas las entradas del bloque de índices contienen el
valor QLO; a medida que el fichero crece y se van añadiendo bloques, se van
anotando sus números sucesivamente en el bloque de índices.
En el directorio simplemente hay que hacer constar la dirección del bloque de
índices de cada fichero.
Ahora sí se soporta bien el acceso directo sin sufrir fragmentación externa, pues al
igual que en la lista encadenada, cualquier bloque libre del disco sirve para
satisfacer una petición de espacio.
El problema que presenta este sistema es el desperdicio de espacio, pues el
tamaño del bloque de índices normalmente es mayor que el requerido para los
punteros en la lista encadenada. Si consideramos el caso de un fichero pequeño
(uno o dos bloques de datos), se requiere un bloque de índices entero aunque
solamente se utilicen una o dos entradas. Como siempre, se plantea el dilema: si el
bloque de índices es grande, se desaprovecha mucho espacio; si es pequeño,
puede que no quepan todos los índices de un fichero extenso.
Una buena solución a este problema es el utilizado por Unix (Figura 14). Unix
mantiene unos cuantos punteros a bloques de datos en el I-nodo (punteros
directos), pero en caso de que se llenen estos bloques, entonces utiliza otro puntero
(puntero indirecto) que indica la dirección de un bloque de índices, el cual contiene
punteros a bloques de datos. Si también se utilizan todos esos bloques, en el I-nodo
se dispone de punteros con doble y triple indirección a bloques de datos.
Al igual que con la FAT, para mejorar los tiempos de acceso, se pueden cargar los
bloques de índices en memoria principal, aunque nunca se evita el tiempo de
posicionamiento, ya que los bloques de datos se encuentran desperdigados por el
disco.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$VLJQDFLyQGH(VSDFLR
,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
+$VLJQDFLyQ,QGH[DGD
6ROXFLRQDHOSUREOHPDGHODFFHVRGLUHFWROOHYDQGRWRGRVORV
tQGLFHVGHFDGDILFKHURDXQ%ORTXHGHÌQGLFHV
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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31
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&RQILFKHURVSHTXHxRV
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$SXQWHVGH62,
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6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
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$VLJQDFLyQGH(VSDFLR
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6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
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‡
'DWRV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
*HVWLyQGHO(VSDFLR/LEUH
Ya que el espacio del disco no es infinito, es necesario reutilizar el espacio de los
ficheros borrados para ficheros nuevos. Si partimos de la base de que la unidad de
asignación de espacio es el EORTXH, para saber en cada momento el espacio libre
del disco, es necesario mantener una lista de los bloques libres, es decir aquellos
que no están asignados a ningún fichero o directorio.
Para crear un fichero se busca en la lista de bloque libres el número de bloques
necesarios para satisfacer el espacio requerido para el nuevo fichero. Entonces, los
bloques seleccionados se borran de la lista de bloques libres. Cuando se borra un
fichero, los bloques que lo componen se añaden a la lista de bloques libres.
Antes de ver dos mecanismos distintos para llevar la cuenta del espacio libre (mapa
de bits y lista encadenada), se debe establecer cuál va a ser el tamaño del bloque.
7DPDxRGHO%ORTXH
Dado el modo en el que están organizados los discos, parece que los candidatos a
ser unidad de asignación son: el sector, la pista y el cilindro.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
*HVWLyQGHO(VSDFLR/LEUH
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Utilización del espacio de disco
Vtransferencia
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7DPDxRGHOEORTXH
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6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
.E
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
Volvemos a la eterna disyuntiva. Si elegimos al cilindro como bloque de asignación,
entonces todos los ficheros, incluso los de un solo byte, tendrán al menos un cilindro
asignado. Algunos estudios han mostrado que el tamaño medio de los ficheros de
entornos Unix está alrededor de 1 Kbyte, por lo que la utilización de cilindros de 32
K como unidad de asignación significaría un desaprovechamiento de 31/32, o lo que
es lo mismo, el 97% del espacio del disco. Por otra parte, la utilización de pequeñas
unidades de asignación implica que cada fichero estará formado por muchos
bloques. Ya que la lectura de cada bloque requiere un tiempo de posicionamiento y
un retardo rotacional, la lectura de un fichero formado por muchos bloques
pequeños será lenta. (Véase el ejemplo de la Figura 15, en el que se muestra el
tiempo de lectura de un bloque de K bytes).
Las curvas de la Figura 15-inferior nos muestran la velocidad de transferencia y el
aprovechamiento del espacio del disco en función del tamaño del bloque, supuesto
que el tamaño de los ficheros es de 1 Kbyte. La línea continua muestra la velocidad
de transferencia; a medida que aumenta el tamaño del bloque, vemos que la escala
de la parte izquierda indica una mayor velocidad de transferencia. Sin embargo, la
línea de trazos pone de manifiesto cómo se empobrece el aprovechamiento del
espacio del disco (en la escala de la parte derecha) a medida que aumenta el
tamaño del bloque. Como siempre, la eficiencia en tiempo de respuesta y
aprovechamiento del espacio están en conflicto.
El compromiso suele llevar a un tamaño de bloque de 512 bytes a 2 Kbytes. Si se
elige un bloque de 1 K para un disco con sectores de 512 bytes, entonces siempre
se leerán 2 sectores consecutivos y se les tratará como una unidad indivisible.
0DSDGH%LWV
Este método de administración de los bloques libres es similar al visto anteriormente
en la gestión de la memoria principal. Consiste en tener un mapa de bits en el que
cada bloque del disco está representado por un bit. Así, si el bloque está libre, su bit
correspondiente tendrá un 1. Si, por el contrario, está ocupado, el bit tendrá un 0.
La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y eficiencia, pues
normalmente resulta fácil encontrar el primer bloque libre, o los Q bloques libres
consecutivos, especialmente ahora que los procesadores suelen disponer de
instrucciones especiales para la búsqueda de series de bits en memoria. Esto
implica que el mapa de bits debe copiarse a la memoria principal para realizar la
gestión, y ocasionalmente copiarlo a disco para mantenerlo coherente.
Mantener el mapa de bits en memoria principal no presenta ningún inconveniente en
los discos pequeños, pero con discos de gran capacidad (del orden de gigabytes) el
mapa de bits para bloques de 512 bytes puede llegar a ser considerable (más de
300 Kbytes). La técnica de los FOXVWHUV puede ayudar a disminuir el tamaño del
mapa de bits.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
*HVWLyQGHO(VSDFLR/LEUH
,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
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”/LVWDGH%ORTXHV/LEUHV
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2
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8
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31
£
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6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
6LVWHPDVGH)LFKHURV
/LVWD(QFDGHQDGD
Al igual que sucedía con la gestión de la memoria principal, otra opción para llevar la
cuenta del espacio libre de disco consiste en mantener una lista de los bloques
libres.
En una dirección prefijada del disco se guarda el puntero al primer bloque libre; este
primer bloque contiene un puntero al siguiente bloque libre; y así sucesivamente
hasta llegar al último bloque libre, cuyo puntero tendrá un valor QLO (Ver Figura 16).
El problema de esta solución es su ineficiencia, pues para ir recorriendo la lista hay
que ir leyendo cada uno de los bloques, que por estar dispersos por el disco
conlleva un tiempo substancial. Afortunadamente, no es habitual tener que recorrer
la lista, ya que normalmente sólo se requiere un único bloque libre (el primero), pues
la asignación de espacio libre a los ficheros se suele ir realizando poco a poco, a
medida que el fichero va creciendo.
Recordando en qué consistía la FAT, vemos que constaba de un mapa de bloques
encadenados en el que las entradas correspondientes a bloques libres tenían un
cero. Como se puede apreciar, utilizando este método de asignación de espacio no
se requieren listas adicionales para llevar la cuenta de los bloques libres.
,PSOHPHQWDFLyQGHORV'LUHFWRULRV
Un directorio es un fichero más, con la particularidad de que los datos que contiene
son precisamente la información sobre los ficheros que contienen los datos de
usuario. Esta información suele consistir, básicamente, en una lista de los ficheros
de usuario junto con sus atributos correspondientes o la dirección del bloque de
atributos. La estructura del directorio es conocida por el sistema operativo, que está
encargado de la gestión del Sistema de Ficheros.
Sobre la implementación del directorio, la principal consideración que hay que tener
es sobre la organización y algoritmos de acceso a sus entradas.
Hay dos algoritmos básicos para organizar y gestionar las entradas de un directorio:
la lista lineal y la tabla KDVK. Veámoslos en detalle.
• /LVWD/LQHDO. El método más simple para implementar un directorio consiste en
utilizar una lista lineal de nombres de ficheros con sus correspondientes atributos
y punteros a los bloques de datos. Aunque este método resulta muy fácil de
implementar, con una lista lineal de entradas de directorio se requiere una
búsqueda igualmente lineal para encontrar una entrada concreta, lo que consume
un tiempo importante. Este tiempo puede resultar molesto, sobre todo si tenemos
en cuenta que es necesario buscar en el directorio la entrada correspondiente de
un fichero para crearlo, leer o escribir en él, borrarlo, etc. El tiempo de respuesta
puede verse muy mejorado si se mantiene la imagen del directorio en una
memoria caché. Una lista ordenada permitiría realizar búsquedas binarias,
reduciendo el tiempo de búsqueda, sin embargo el mantenimiento de la lista
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
ordenada también genera una sobrecarga significativa a la hora de crear y borrar
ficheros. Quizás un árbol binario pueda resultar más conveniente.
• 7DEOD+DVK. Este sistema consiste en añadir una tabla o algoritmo KDVK a la lista
lineal de las entradas del directorio. La función KDVK toma como entrada el
nombre de un fichero y devuelve como valor de salida la dirección de su entrada
en la lista lineal del directorio. Así, obviamente decrece en gran medida el tiempo
de búsqueda. Como para cualquier algoritmo KDVK, se deben tomar medidas para
el tratamiento de las FROLVLRQHV, es decir, las situaciones en las que para dos
nombres distintos de ficheros se obtiene la misma dirección en el directorio.
El problema que se puede presentar es que los algoritmos KDVK se realizan para
un número fijo de entradas de directorio (por ejemplo, de 0 a 127), pero si el
directorio se llena y se requiere una ampliación (hasta 255), habría que modificar
el algoritmo KDVK para cambiar el rango de direcciones que genera. Esto obligaría
a tener que rehacer todo el directorio utilizando la nueva función KDVK.
$SXQWHVGH62,
6LVWHPDVGH)LFKHURV
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,PSOHPHQWDFLyQGHO6)
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L (VOHQWREXVFDQGRXQILFKHUR
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/LQHDO 0HMRUDFRQOD
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PDQWHQLPLHQWRFRVWRVR
+7DEOD+DVK
/LVWDOLQHDO$OJRULWPRKDVK
1RPEUH
)LFKHUR
$OJRULWPR
+DVK
ÌQGLFHHQOD
WDEODOLQHDO
3UREOHPDV
L 7DPDxRILMR
GHODWDEOD
L&ROLVLRQHV
6LVHDPSOtD
1XHYDIXQFLyQKDVK
6LVWHPDV2SHUDWLYRV,
£5HRUJDQL]DUWRGRHOGLUHFWRULR
6LVWHPDVGH)LFKHURV
$SXQWHVGH62,