[Perguntas da entrevista sobre o metrô] - parte básica - sistema operacional - sistema de arquivos

Um sistema de arquivos é um mecanismo ou software usado em um sistema operacional para gerenciar e organizar arquivos e diretórios nos dispositivos de armazenamento de um computador. Ele fornece operações como criação, leitura, gravação e exclusão de arquivos e é responsável por armazenar e gerenciar arquivos em mídias de armazenamento físico.
A função e a importância do sistema de arquivos são refletidas nos cinco aspectos a seguir:

Armazenamento de dados: A principal função do sistema de arquivos é fornecer uma forma estruturada de armazenamento de dados, incluindo arquivos criados por usuários, aplicativos e arquivos do próprio sistema operacional. Através do sistema de arquivos, os usuários podem organizar e gerenciar facilmente seus dados.
Compartilhamento de dados: um sistema de arquivos permite que vários usuários ou processos compartilhem dados. Os usuários podem compartilhar arquivos com outros usuários por meio do sistema de arquivos para realizar o compartilhamento e a colaboração de dados.
Proteção e segurança de dados: O sistema de arquivos fornece controle de acesso e gerenciamento de permissões para arquivos, garantindo que apenas usuários autorizados possam acessar e modificar arquivos. Além disso, o sistema de arquivos protege os dados contra corrupção ou perda acidental por meio de mecanismos de backup e recuperação.
Gerenciamento de dados: O sistema de arquivos fornece funções de gerenciamento para arquivos e diretórios, incluindo operações como criar, excluir, mover e renomear arquivos. Ele também pode organizar arquivos por meio de uma estrutura de diretórios, facilitando aos usuários a navegação e a localização dos arquivos de que precisam.
Desempenho do sistema de arquivos: um sistema de arquivos eficiente pode fornecer acesso rápido a arquivos e alto rendimento. O sistema de arquivos melhora o desempenho otimizando a alocação de armazenamento, agendamento de disco e mecanismos de cache, melhorando assim a eficiência operacional de todo o sistema.

1. Composição e hierarquia do sistema de arquivos

1.1 Arquivos e diretórios

Um sistema de arquivos consiste em vários componentes e hierarquias, cujos dois componentes principais são arquivos e diretórios.

Arquivo: Um arquivo é a unidade básica de dados armazenados em um sistema de arquivos. Pode ser um arquivo de texto, arquivo de imagem, arquivo de áudio, arquivo de vídeo ou qualquer outra forma de arquivo de dados. Os arquivos consistem em blocos de dados, que podem ser identificados e acessados por nome de arquivo ou caminho.
Diretório: Um diretório é um contêiner para organizar e gerenciar arquivos. Pode conter arquivos e outros diretórios, formando uma hierarquia. Os diretórios são identificados e localizados pelo seu caminho, que pode ser absoluto (o caminho completo do diretório raiz) ou relativo (relativo ao diretório atual).

A estrutura hierárquica do sistema de arquivos geralmente inclui os seguintes níveis:

Camada de armazenamento físico: A camada de armazenamento físico é a camada inferior do sistema de arquivos e é responsável por armazenar arquivos em mídias de armazenamento físico, como discos rígidos, unidades de estado sólido ou discos ópticos. Ele gerencia a alocação de espaço em disco, local de armazenamento de arquivos e operações de leitura e gravação de dados.
Camada de gerenciamento de arquivos: A camada de gerenciamento de arquivos é responsável por operações como criar, abrir, fechar, ler, gravar e excluir arquivos. Ele fornece uma interface para acesso a arquivos e chamadas de sistema para operações de arquivos, para que usuários e aplicativos possam operar em arquivos.
Camada de gerenciamento de diretório: A camada de gerenciamento de diretório é responsável por gerenciar a hierarquia de arquivos e diretórios. Ele fornece operações como criação, exclusão, renomeação e movimentação de diretórios, bem como associação entre arquivos e diretórios.
Camada de interface do sistema de arquivos: A camada de interface do sistema de arquivos é a interface entre o sistema operacional e o sistema de arquivos. Ele define como o sistema operacional acessa o sistema de arquivos e oferece suporte a funções, como drivers do sistema de arquivos e chamadas de sistema.

Arquivos e diretórios são os conceitos centrais do sistema de arquivos e fornecem uma maneira conveniente e eficiente de armazenar, acessar e gerenciar dados por meio da organização e gerenciamento da hierarquia. O desenho e implementação de um sistema de arquivos leva em consideração a organização e proteção dos dados, bem como as necessidades dos usuários e aplicações.

1.2 Descritores de arquivos e blocos de controle de arquivos

Descritores de arquivos e blocos de controle de arquivos são conceitos importantes em sistemas de arquivos para gerenciamento e manipulação de arquivos.

Descritor de arquivo: um descritor de arquivo é uma referência ou identificador para um arquivo aberto no sistema operacional. É um número inteiro não negativo usado para identificar o arquivo aberto para que possa ser referenciado em operações de arquivo subsequentes. Os descritores de arquivo são exclusivos no nível do processo e são alocados automaticamente quando um processo abre um arquivo. O descritor de arquivo pode ser considerado como o identificador do arquivo no processo, por meio do qual o arquivo pode ser lido, gravado e fechado.
Bloco de controle de arquivo (FCB): Um bloco de controle de arquivo é uma estrutura de dados usada para gerenciar arquivos em um sistema de arquivos. Cada arquivo aberto possui um bloco de controle de arquivo correspondente, que é usado para registrar os atributos, status e informações relacionadas do arquivo. O bloco de controle de arquivo contém os metadados do arquivo, como nome do arquivo, tamanho do arquivo, permissão do arquivo, ponteiro do arquivo e assim por diante. Também contém referências aos blocos de dados do arquivo para facilitar a leitura e gravação do conteúdo do arquivo.

O descritor de arquivo é usado para identificar e referir-se ao arquivo aberto, que é único no nível do processo, e é usado para ler, gravar e fechar o arquivo. O descritor de arquivo é um conceito abstrato fornecido pelo sistema operacional, que oculta os detalhes específicos de implementação do arquivo no kernel, para que o aplicativo possa executar operações de arquivo de maneira conveniente. O bloco de controle de arquivo é uma estrutura de dados usada para gerenciar arquivos no sistema de arquivos e registra os atributos e informações de status do arquivo. Cada arquivo aberto possui um bloco de controle de arquivo correspondente que rastreia o estado, a localização e os metadados associados do arquivo. Os blocos de controle de arquivos são mantidos pelo sistema de arquivos e fornecem acesso e gerenciamento de arquivos durante operações de arquivos.

1.3 Estrutura de diretório

A estrutura de diretórios é uma estrutura hierárquica usada para organizar e gerenciar arquivos e diretórios no sistema de arquivos. Ele descreve o relacionamento entre arquivos e diretórios, fornecendo uma maneira conveniente de localizar, acessar e manipular arquivos.
Estruturas de diretório comuns incluem o seguinte:

Estrutura de diretório hierárquica: A estrutura de diretório hierárquica é a estrutura de diretório mais comum, que organiza arquivos e diretórios em uma estrutura de árvore. Cada diretório pode conter vários subdiretórios e arquivos, formando um relacionamento pai-filho. O diretório raiz está no nível superior e contém todos os outros diretórios e arquivos.
Estrutura de diretório simples: uma estrutura de diretório simples é uma estrutura de diretório simples na qual todos os arquivos são armazenados no mesmo diretório de nível, sem subdiretórios aninhados. Um arquivo é identificado exclusivamente por seu nome de arquivo.
Estrutura de diretório indexada: a estrutura de diretório indexada usa tabelas de índice para registrar a localização e os atributos dos arquivos. Cada entrada na tabela de índice corresponde a um arquivo, incluindo o nome do arquivo, localização do arquivo e outras informações relacionadas. Os arquivos podem ser encontrados e acessados rapidamente indexando entradas na tabela.
Estrutura de diretório acíclica: Estrutura de diretório acíclica é uma estrutura de diretório acíclica na qual cada entrada de diretório contém apenas ponteiros para outros diretórios ou arquivos. Essa estrutura é adequada para situações onde não há referências circulares no sistema de arquivos.

A escolha da estrutura de diretórios depende do design do sistema de arquivos e das necessidades do aplicativo. Diferentes estruturas de diretório têm diferentes vantagens e limitações. A estrutura de diretório hierárquica é a estrutura de diretório mais comumente usada e flexível, que pode organizar e gerenciar facilmente um grande número de arquivos e diretórios. Outras estruturas de diretório são otimizadas para cenários de aplicativos ou requisitos de desempenho específicos.

Em segundo lugar, a operação e gerenciamento do sistema de arquivos

2.1 Criação, leitura, gravação e exclusão de arquivos

A criação, leitura, gravação e exclusão de arquivos são operações básicas comuns no sistema de arquivos, usadas para gerenciar o ciclo de vida e o conteúdo dos arquivos.

Criação de arquivo (Criar): A criação de um arquivo refere-se à criação de um novo arquivo no sistema de arquivos. Ao criar um arquivo, você precisa especificar o nome e os atributos do arquivo, como tamanho do arquivo, permissões e assim por diante. A operação de criação de um arquivo geralmente é acionada por um programa aplicativo ou usuário, e o sistema de arquivos alocará espaço de armazenamento para o arquivo e adicionará um item de arquivo correspondente na estrutura de diretórios.
Leitura de arquivo (leitura): A leitura de arquivo refere-se à obtenção de dados do arquivo. Ao ler um arquivo, o sistema de arquivos localiza o local de armazenamento do arquivo de acordo com o caminho ou descritor de arquivo do arquivo e, em seguida, lê o bloco de dados correspondente do dispositivo de armazenamento. Os arquivos podem ser lidos em bytes, blocos ou linhas.
Gravação de arquivo (gravação): A gravação de arquivo refere-se à gravação de dados em um arquivo. Ao gravar em um arquivo, o sistema de arquivos grava o bloco de dados no local de armazenamento onde o arquivo reside, sobrescrevendo os dados originais ou anexando-os ao final do arquivo. A gravação em arquivos pode ser feita em bytes, blocos ou linhas.
Exclusão de arquivo (Excluir): A exclusão de arquivo refere-se à remoção de um arquivo do sistema de arquivos. Ao excluir um arquivo, o sistema de arquivos liberará o espaço de armazenamento ocupado pelo arquivo e excluirá o item de arquivo correspondente na estrutura de diretórios. Quando um arquivo é excluído, os dados do arquivo não ficam mais visíveis, mas podem ser recuperados com ferramentas ou técnicas especiais.

Essas operações de arquivo são as operações básicas no sistema de arquivos pelas quais os arquivos podem ser criados, acessados e gerenciados. Em aplicações práticas, as operações de arquivo também podem incluir operações mais complexas, como renomeação de arquivos, configuração de permissão de arquivo, cópia e movimentação de arquivos, para atender a diferentes necessidades e requisitos operacionais.

2.2 Abertura e fechamento de arquivos

No sistema operacional, abrir e fechar arquivos é uma operação importante para acessar e liberar arquivos.

Abertura de arquivos (Open): A abertura de arquivos significa que o sistema operacional fornece interfaces e recursos para que os aplicativos acessem os arquivos. Ao abrir um arquivo, o programa aplicativo solicita ao sistema operacional que abra o arquivo especificado por meio de uma chamada de sistema (como a função open()). O sistema operacional realizará as verificações de permissão correspondentes e atribuirá um descritor de arquivo (Descritor de Arquivo) como um identificador de arquivo para identificar e referir-se ao arquivo. Um descritor de arquivo é um valor inteiro através do qual um arquivo pode ser lido, escrito, etc.
Fechamento de arquivo (Fechar): O fechamento de arquivo refere-se à liberação de recursos de arquivo e ao fechamento de descritores de arquivo. Ao fechar um arquivo, a aplicação informa ao sistema operacional que não precisa mais acessar o arquivo através de uma chamada de sistema (como a função close()). O sistema operacional libera os recursos ocupados pelo arquivo e recupera o descritor do arquivo. Ao fechar um arquivo, o sistema operacional também pode realizar algumas operações de limpeza, como liberar buffers, atualizar metadados do arquivo, etc.

As operações de abertura e fechamento de arquivos são a interface entre os aplicativos e o sistema operacional por meio da qual o acesso e a liberação de arquivos são gerenciados. Ao abrir um arquivo, um aplicativo pode especificar o modo de abertura do arquivo (como somente leitura, gravável, anexar, etc.) e outras opções (como bloqueio de arquivo, modo de compartilhamento, etc.). Ao fechar um arquivo, o aplicativo deve garantir que o acesso ao arquivo seja fechado em tempo hábil para liberar recursos do sistema e evitar vazamentos de recursos e corrupção acidental de dados.

2.3 Permissões e proteção de arquivos

No sistema operacional, as permissões e proteção de arquivos são mecanismos configurados para garantir a segurança e a confidencialidade dos arquivos. As permissões e a proteção controlam o acesso e a operação de arquivos para evitar operações ilegais em arquivos por usuários ou processos não autorizados.

Permissões de arquivo: as permissões de arquivo definem o controle de permissão para leitura, gravação e execução de operações em arquivos. Um conjunto de sinalizadores de permissão geralmente é usado para indicar a permissão do arquivo, incluindo permissão de leitura (Read), permissão de gravação (Write) e permissão de execução (Execute). As permissões podem ser definidas para o proprietário (Proprietário), grupo (Grupo) e outros usuários (Outros) do arquivo para controlar com precisão os direitos de acesso de diferentes usuários ao arquivo. As permissões de arquivo podem ser definidas e modificadas por meio de comandos específicos (como o comando chmod) ou API.
Proteção de arquivos: A proteção de arquivos refere-se à proteção da segurança e confidencialidade dos arquivos por meio de mecanismos de controle de acesso. O sistema operacional restringe o acesso de diferentes usuários aos arquivos por meio do proprietário do arquivo, do grupo e de outras configurações de permissão do usuário. Somente usuários ou processos com privilégios suficientes podem acessar ou modificar arquivos. Os sistemas operacionais normalmente usam autenticação (como nomes de usuário e senhas) para determinar a identidade de um usuário e realizar controle de acesso com base na identidade e nos privilégios do usuário.
Lista de controle de acesso a arquivos (ACL): ACL é um mecanismo de controle de permissão de arquivo mais flexível e refinado. Comparado com a configuração de permissão tradicional baseada no proprietário, grupo e outros usuários, o ACL permite atribuir permissões diferentes a cada usuário ou grupo de usuários. ACL pode especificar usuários ou grupos de usuários específicos para cada arquivo e definir seus direitos de acesso ao arquivo. Este método controla o acesso aos arquivos com mais cuidado e é adequado para cenários complexos de gerenciamento de permissões.

A permissão e proteção de arquivos é um mecanismo de segurança importante no sistema operacional, que protege a confidencialidade e a integridade dos arquivos, restringindo o acesso e as operações aos arquivos. Definir corretamente as permissões e a proteção dos arquivos pode prevenir eficazmente o acesso não autorizado e operações maliciosas e garantir a segurança dos dados do sistema e do usuário.

2.4 Gerenciamento e manutenção do sistema de arquivos

O gerenciamento e a manutenção do sistema de arquivos em um sistema operacional envolvem o seguinte:

Gerenciamento de espaço de armazenamento: um sistema de arquivos precisa gerenciar o espaço livre e alocado em um dispositivo de armazenamento. Ele mantém uma lista de blocos ou bitmap gratuitos para rastrear os blocos de disco disponíveis e usa algoritmos para selecionar e alocar blocos adequados para arquivos recém-criados. Ao mesmo tempo, ele também precisa lidar com a expansão e contração do arquivo para se adaptar às alterações no tamanho do arquivo.
Gerenciamento de diretório de arquivos: O sistema de arquivos mantém uma estrutura de diretórios de arquivos, incluindo uma estrutura de diretórios em árvore ou uma tabela de nós de índice (inode). Ele registra os metadados do arquivo, como nome do arquivo, tamanho, permissão e outras informações, e mantém o relacionamento de mapeamento entre arquivos e blocos de disco. O sistema de arquivos precisa fornecer operações como criação, exclusão e renomeação de arquivos e diretórios e garantir a consistência e integridade da estrutura de diretórios.
Controle de acesso a arquivos: O sistema de arquivos gerencia as permissões e a proteção dos arquivos e controla as permissões de acesso de diferentes usuários ou processos aos arquivos. Ele garante que apenas usuários com privilégios suficientes possam ler, gravar ou executar arquivos e fornece autenticação segura e mecanismos de controle de acesso.
Backup e restauração de arquivos: Os sistemas de arquivos normalmente fornecem recursos de backup e restauração para evitar perda ou corrupção de arquivos. Ele pode restaurar o estado do sistema de arquivos fazendo backup regular dos dados e metadados do arquivo e fornecendo um mecanismo de recuperação.
Inspeção e reparo do sistema de arquivos: Para manter a consistência e integridade do sistema de arquivos, o sistema de arquivos precisa ser verificado e reparado regularmente. Ele pode detectar e reparar erros e corrupção no sistema de arquivos, verificando a estrutura de dados e os metadados do sistema de arquivos.
Recuperação e desfragmentação de espaço: O sistema de arquivos precisa lidar com a recuperação e desfragmentação do espaço de armazenamento. Quando um arquivo é excluído ou movido, o sistema de arquivos precisa recuperar o espaço de armazenamento que ocupa e organizar os blocos livres em blocos contíguos para fornecer melhor desempenho de armazenamento.
Otimização de desempenho: O sistema de arquivos também pode realizar otimização de desempenho para melhorar a eficiência do acesso e operação de arquivos. Isso inclui otimizar o layout e a estrutura de armazenamento dos arquivos, armazenar em cache os dados de arquivos usados com frequência e usar técnicas como leitura antecipada e gravações atrasadas para reduzir a latência de acesso ao disco.

A gestão e manutenção do sistema de arquivos garantem o funcionamento normal do sistema de arquivos, segurança e eficiência dos dados. Por meio de gerenciamento razoável de espaço de armazenamento, gerenciamento de diretório de arquivos e mecanismo de controle de acesso, o sistema de arquivos pode fornecer armazenamento confiável de arquivos e serviços de acesso. Ao mesmo tempo, operações regulares de inspeção, reparo e otimização podem garantir o desempenho e a estabilidade do sistema de arquivos.

3. Gerenciamento de armazenamento do sistema de arquivos

3.1 Alocação e gestão de unidades de armazenamento

A alocação e gerenciamento de unidades de armazenamento é uma das tarefas importantes do sistema de arquivos. Envolve como alocar e gerenciar com eficiência unidades de armazenamento em dispositivos de armazenamento para oferecer suporte ao armazenamento e recuperação de arquivos.
Os dispositivos de armazenamento são geralmente divididos em unidades de armazenamento de tamanho fixo, como setores ou blocos. O tamanho da unidade de armazenamento depende das características físicas do dispositivo de armazenamento e do design do sistema de arquivos. Unidades de armazenamento menores podem fornecer gerenciamento de armazenamento mais refinado, mas podem resultar em maior sobrecarga de armazenamento, enquanto unidades de armazenamento maiores podem reduzir a sobrecarga de armazenamento, mas podem resultar em fragmentação interna.
Um sistema de arquivos precisa controlar as unidades de armazenamento livres em um dispositivo de armazenamento para alocar novos arquivos ou estender os arquivos existentes quando necessário. Os métodos de gerenciamento comuns incluem bitmaps, listas livres ou uma combinação. Um bitmap é um vetor de bits binários, cada bit representando o estado (alocado ou livre) do local de memória correspondente. A lista vinculada registra o relacionamento de conexão entre unidades de armazenamento livres e cada nó representa uma unidade de armazenamento livre. O sistema de arquivos precisa determinar como alocar unidades de armazenamento aos arquivos. As estratégias de alocação comuns incluem alocação sequencial, alocação encadeada e alocação indexada. A alocação sequencial aloca a unidade de armazenamento do arquivo continuamente no dispositivo de armazenamento, o que é adequado para arquivos acessados sequencialmente. A alocação de links usa uma estrutura de links para vincular as unidades de armazenamento do arquivo, adequada para arquivos com acesso aleatório. A alocação de índice usa uma estrutura de índice para registrar a localização das unidades de armazenamento de arquivos, adequada para arquivos grandes e acesso aleatório. Quando um arquivo é excluído ou modificado, a unidade de armazenamento correspondente precisa ser recuperada e marcada como livre. O sistema de arquivos pode usar métodos como bitmaps ou listas vinculadas para registrar unidades de armazenamento alocadas e livres. A recuperação de unidades de armazenamento pode reduzir a fragmentação do armazenamento simplesmente marcando-as como livres ou executando uma operação de desfragmentação quando o espaço de armazenamento for recuperado.
A eficiência da alocação e do gerenciamento de unidades de armazenamento é crítica para o desempenho do sistema de arquivos. Estratégias e algoritmos de gerenciamento eficientes podem melhorar a utilização do espaço de armazenamento, reduzir a sobrecarga de armazenamento e garantir armazenamento e recuperação rápidos de arquivos. Algumas técnicas de otimização, como pré-alocação e alocação atrasada, podem melhorar a eficiência do gerenciamento das unidades de armazenamento

3.2 Gerenciamento de espaço livre

O gerenciamento de espaço livre é uma das tarefas importantes no sistema de arquivos, que envolve como gerenciar e utilizar com eficácia o espaço livre no dispositivo de armazenamento para oferecer suporte ao armazenamento e alocação de arquivos.

Representação de espaço livre: um sistema de arquivos precisa de uma forma de representar o espaço livre em um dispositivo de armazenamento. As representações comuns incluem bitmaps, listas livres e listas de áreas livres.
- Bitmap: Um bitmap é um vetor de bits binários, cada bit correspondendo a um local de armazenamento no dispositivo de armazenamento. Os bits no bitmap podem representar o estado dessa unidade de armazenamento (alocada ou livre).
- Lista Livre: Uma lista livre é uma estrutura de dados de lista vinculada em que cada nó representa um bloco contíguo de espaço livre. O nó contém o endereço inicial e o comprimento do espaço livre e um ponteiro para o próximo bloco livre.
- Tabela de área livre: A tabela de área livre é uma tabela que registra todo o espaço livre no dispositivo de armazenamento. Cada entrada contém o endereço inicial e o comprimento do espaço livre.
Estratégia de alocação de espaço livre: O sistema de arquivos precisa determinar como alocar espaço livre para novos arquivos ou extensões de arquivo. As estratégias de alocação comuns incluem primeiro ajuste, melhor ajuste e pior ajuste.
- Primeiro ajuste: Encontre o primeiro bloco livre no espaço livre que seja grande o suficiente para satisfazer a demanda.
- Melhor ajuste: Encontre um bloco livre no espaço livre cujo tamanho seja mais próximo do requisito para satisfazer o requisito.
- Pior ajuste: Encontre o bloco livre de maior tamanho no espaço livre para satisfazer a demanda.
Recuperação de espaço livre: Quando um arquivo é excluído ou reduzido, o espaço correspondente deve ser recuperado e marcado como livre para alocações subsequentes. A recuperação de espaço livre pode reduzir a fragmentação do armazenamento simplesmente marcando-o como livre ou executando uma operação de desfragmentação.
Eficiência do gerenciamento de espaço livre: O gerenciamento eficiente de espaço livre pode melhorar a utilização do espaço de armazenamento e o desempenho do sistema de arquivos. Algumas técnicas de otimização, como consolidação de espaço livre, pesquisa rápida e pré-alocação de espaço livre, podem melhorar a eficiência do gerenciamento de espaço livre.

3.3 Estrutura do índice e alocação de blocos de arquivos

A estrutura do índice e a alocação de blocos de arquivos são dois aspectos importantes no sistema de arquivos, usados para melhorar a eficiência de acesso do sistema de arquivos e gerenciar o espaço de armazenamento. A seguir são apresentados os conceitos e funções da estrutura de índice e alocação de blocos de arquivos:

Estrutura de índice:
uma estrutura de índice é uma estrutura de dados usada para localizar e acessar rapidamente dados de arquivos. Ele fornece acesso rápido aos dados criando um índice e mapeando o endereço lógico do arquivo com o endereço de armazenamento físico. Estruturas de índice comuns incluem:
- Indexação direta: mapeia o endereço lógico de um arquivo para o endereço de armazenamento físico correspondente. Cada arquivo possui um bloco de índice direto, que contém um conjunto de ponteiros para os blocos de armazenamento reais.
- Indexação indireta: Use um ou mais blocos de índice adicionais para mapear o relacionamento entre endereços lógicos e físicos. Os métodos comuns de índice indireto incluem índice indireto de um nível, índice indireto de dois níveis e índice indireto multinível.
- Índice hash: Use uma função hash para mapear a chave do arquivo para o endereço de armazenamento físico. Os índices hash podem fornecer velocidade de pesquisa rápida, mas podem ocorrer colisões e colisões.
A estrutura do índice pode aumentar a velocidade de leitura e gravação de arquivos, reduzir o número de acessos aos dispositivos de armazenamento e, assim, melhorar o desempenho do sistema de arquivos.
Alocação de bloco de arquivo:
A alocação de bloco de arquivo refere-se ao processo de como os dados do arquivo são armazenados em um dispositivo de armazenamento físico. O sistema de arquivos precisa decidir como os dados do arquivo são distribuídos no dispositivo de armazenamento para ler e gravar dados com eficiência. Os métodos comuns de alocação de blocos de arquivos incluem:
- Alocação contígua: os dados do arquivo são armazenados de forma contígua em áreas contíguas no dispositivo de armazenamento. A alocação contígua é simples e eficiente, mas pode gerar fragmentação externa.
- Alocação de link: Os dados do arquivo são armazenados em diferentes blocos no dispositivo de armazenamento de forma dispersa e vinculados por ponteiros. A alocação vinculada evita a fragmentação externa, mas pode aumentar a sobrecarga de acesso.
- Alocação de índice: use a estrutura de índice para mapear o endereço lógico do arquivo para o endereço físico do bloco de armazenamento real. A alocação de índice pode fornecer métodos flexíveis de alocação e acesso de blocos de arquivos.
O objetivo da alocação de blocos de arquivos é maximizar a utilização do espaço de armazenamento e, ao mesmo tempo, garantir acesso eficiente aos dados do arquivo.

3.4 Estratégia de otimização de desempenho do sistema de arquivos

A otimização do desempenho do sistema de arquivos é uma tarefa importante para melhorar a eficiência e a velocidade de resposta do sistema de arquivos. A seguir estão algumas estratégias comuns de otimização de desempenho do sistema de arquivos:

Mecanismo de cache: O sistema de arquivos pode usar o cache para armazenar os arquivos e blocos de dados acessados com mais frequência para reduzir o acesso frequente ao disco. O cache pode ser um cache de bloco de arquivos, um cache de metadados ou um cache de arquivos inteiros. Ao usar um cache, o sistema de arquivos pode acelerar a leitura e gravação de arquivos.
Pré-leitura e pré-gravação: O sistema de arquivos pode pré-ler os dados no cache antes que os dados do arquivo precisem ser lidos, de modo a preparar os dados com antecedência e reduzir o atraso de leitura. Da mesma forma, um sistema de arquivos pode melhorar o desempenho de gravação armazenando em cache as operações de gravação na memória e enviando dados periodicamente em lote para o disco.
Compactação de dados: Para certos tipos de arquivos, como arquivos de texto ou arquivos de log, o sistema de arquivos pode empregar técnicas de compactação de dados para reduzir o uso do espaço de armazenamento e a quantidade de E/S de disco. Os arquivos compactados precisam ser descompactados para serem acessados, portanto, há uma compensação entre a sobrecarga de compactação e descompactação.
Sistema de arquivos com diário: Um sistema de arquivos com diário usa um diário para registrar as operações do sistema de arquivos para recuperação em caso de falha do sistema ou condições anormais. Ao usar logs de transações ou logs write-ahead, o sistema de arquivos pode garantir a consistência e a confiabilidade dos dados e melhorar a confiabilidade e o desempenho do sistema de arquivos.
Desfragmentação do sistema de arquivos: O sistema de arquivos será fragmentado durante o uso prolongado, resultando em descontinuidade e desperdício de espaço de armazenamento. O sistema de arquivos pode reorganizar o espaço de armazenamento por meio da tecnologia de desfragmentação, de modo que os blocos de arquivos sejam armazenados continuamente e a taxa de utilização do espaço de armazenamento e a eficiência do acesso aos arquivos sejam melhoradas.
Controle de simultaneidade: Em um ambiente multiusuário ou multiprocesso, o sistema de arquivos precisa implementar o controle de simultaneidade para garantir a correção e consistência do acesso e modificação de arquivos. O uso de mecanismos apropriados de controle de simultaneidade, como mecanismos de bloqueio ou processamento de transações, pode melhorar a eficiência e a segurança do acesso simultâneo.
Ferramentas de otimização do sistema de arquivos: O sistema operacional e o sistema de arquivos fornecem algumas ferramentas e comandos para otimizar o desempenho do sistema de arquivos, como ferramentas de desfragmentação de disco, ferramentas de verificação do sistema de arquivos e ferramentas de análise de desempenho. Ao usar essas ferramentas, você pode verificar e otimizar regularmente seu sistema de arquivos para melhorar seu desempenho e estabilidade.

4. Segurança e backup do sistema de arquivos

A segurança e o backup do sistema de arquivos são aspectos importantes da proteção de dados. A seguir está uma explicação de três aspectos: controle de acesso e gerenciamento de direitos, criptografia e autenticação e estratégias de backup e recuperação:

Controle de acesso e gerenciamento de direitos:
O sistema de arquivos restringe o acesso a arquivos e diretórios por meio de controle de acesso e gerenciamento de direitos, garantindo que apenas usuários autorizados possam ler, escrever e executar operações. Mecanismos comuns de controle de acesso incluem autenticação de usuário, configurações de direitos de acesso e listas de controle de acesso (ACLs). Ao configurar e gerenciar adequadamente essas permissões, o acesso não autorizado e o vazamento de dados podem ser evitados.
Criptografia e autenticação:
Para proteger a segurança de dados confidenciais, o sistema de arquivos pode usar tecnologia de criptografia para criptografar e armazenar arquivos. A criptografia impede que usuários não autorizados leiam e analisem o conteúdo do arquivo. Ao mesmo tempo, mecanismos de autenticação como senhas, certificados digitais e autenticação de dois fatores podem garantir que apenas usuários autorizados possam acessar o sistema de arquivos.
Estratégia de backup e recuperação:
O sistema de arquivos deve ter um mecanismo de backup e recuperação para evitar perda de dados e recuperá-los a tempo quando ocorrer um desastre. Os backups criam cópias regulares de arquivos e diretórios e os armazenam em mídias de armazenamento separadas para proteção contra falhas no dispositivo de armazenamento primário ou corrupção de dados. Uma estratégia de recuperação inclui um plano de recuperação de dados e um plano de recuperação de desastres para garantir que a disponibilidade dos dados e do sistema de arquivos possa ser restaurada rapidamente em caso de falha ou desastre do sistema.

5. Perguntas clássicas de entrevista

5.1 Explique a estrutura de diretórios e o bloco de controle de arquivos do sistema de arquivos

A estrutura de diretórios é uma estrutura hierárquica usada para organizar e gerenciar arquivos e diretórios no sistema de arquivos. Ele fornece uma visão lógica que permite aos usuários encontrar, acessar e gerenciar arquivos de maneira conveniente.
A estrutura de diretórios geralmente adota uma estrutura em árvore, que contém arquivos e subdiretórios. Os tipos comuns de estrutura de diretórios incluem diretórios de nível único, diretórios hierárquicos, nós de índice e tabelas hash.
File Control Block (FCB) é uma estrutura de dados usada para armazenar informações relacionadas a arquivos no sistema de arquivos. Cada arquivo corresponde a um bloco de controle de arquivo, que armazena os metadados do arquivo, incluindo nome do arquivo, tamanho, hora de criação, hora de modificação, direitos de acesso, etc.
Um bloco de controle de arquivo geralmente contém as seguintes informações:

Tipo de arquivo: indica o tipo do arquivo, como arquivo comum, diretório, link, etc.
Tamanho do arquivo: O tamanho do arquivo de registro em bytes.
Ponteiro de arquivo: registra a posição do ponteiro de leitura e gravação do arquivo, que é usado para localizar a posição de leitura e gravação do arquivo.
Permissões de arquivo: especifica as permissões de acesso de arquivos, incluindo permissões de leitura, gravação e execução.
Carimbo de data e hora: incluindo o horário de criação, horário de modificação e horário de acesso do arquivo, usado para registrar as informações de horário do arquivo.
Ponteiro de bloco de dados: registra a localização física dos dados do arquivo na mídia de armazenamento e é usado para ler e gravar o conteúdo do arquivo.

Por meio da estrutura de diretórios e do bloco de controle de arquivos, o sistema de arquivos pode organizar e gerenciar um grande número de arquivos e diretórios e fornecer uma interface de gerenciamento e acesso a arquivos amigável, que é conveniente para os usuários lerem, gravarem, excluirem e pesquisar para arquivos. Ao mesmo tempo, as informações de metadados no bloco de controle de arquivo também podem fornecer os atributos e o status do arquivo, de modo a executar funções como controle de autoridade, gerenciamento de tempo e proteção de integridade de dados.

5.2 No sistema de arquivos, o que são links físicos e links físicos? Qual é a diferença entre eles?

No sistema de arquivos, hard link (Hard Link) e soft link (Symbolic Link, também conhecido como link simbólico ou soft link) são duas maneiras de vincular arquivos.
Um link físico é um relacionamento de link entre um arquivo e várias entradas de diretório no sistema de arquivos. Eles têm o mesmo inode (nó de índice) e blocos de dados, e sua localização no sistema de arquivos é exatamente a mesma. Portanto, para o sistema, o arquivo com link físico é indistinguível do arquivo original e pode ser acessado e manipulado de forma independente.
Um link simbólico é um arquivo especial que contém o caminho para o arquivo de destino. Um arquivo de soft link possui um inode e blocos de dados diferentes do arquivo original, é apenas um atalho apontando para o arquivo de destino. Ao acessar um soft link, o sistema operacional encontrará o arquivo de destino de acordo com o caminho no soft link.
As principais diferenças são as seguintes:

Os links físicos não podem abranger sistemas de arquivos, enquanto os links flexíveis podem abranger sistemas de arquivos.
Links físicos não podem vincular diretórios, mas links físicos podem vincular diretórios.
Os links físicos não são afetados pela exclusão do arquivo de destino. Somente após a exclusão de todos os links físicos o espaço do arquivo será liberado. Um soft link é apenas um caminho para o arquivo de destino. Se o arquivo de destino for excluído, o soft link se tornará um link inválido.
A modificação de um arquivo de link físico afetará todos os links físicos vinculados ao arquivo, enquanto a modificação de um arquivo de link físico não afetará o arquivo de destino ou outros arquivos de link físico.

Resumindo, links físicos são vários arquivos que compartilham os mesmos dados e inodes, enquanto links físicos são caminhos que apontam para arquivos de destino. Links físicos são múltiplas entradas para um arquivo, enquanto links físicos são atalhos para um arquivo.

5.3 Explique a estrutura de índice do sistema de arquivos e como implementar a alocação de blocos de arquivos

A estrutura de índice do sistema de arquivos é uma estrutura de dados para localizar e acessar rapidamente os dados do arquivo. Ele mapeia o relacionamento entre nomes de arquivos e dados de arquivos, mantendo uma tabela de índice ou nó de índice (inode). A estrutura do índice foi projetada para melhorar o desempenho e a eficiência do sistema de arquivos.
As estruturas de índice comuns são as seguintes:

Estrutura de diretório de nível único: O sistema de arquivos mantém uma tabela de diretório global, onde cada entrada contém um nome de arquivo e um número de bloco de dados correspondente. Essa estrutura é simples, mas é menos eficiente para o caso de um grande número de arquivos.
Estrutura de diretórios multinível: o sistema de arquivos divide os diretórios em vários níveis e organiza os arquivos por meio de hierarquias de diretórios aninhadas. Isso pode melhorar a eficiência da pesquisa, mas também aumenta a complexidade do gerenciamento de diretórios.
Estrutura da tabela hash: use uma função hash para mapear nomes de arquivos para números de blocos de dados para encontrar rapidamente os dados do arquivo. A estrutura da tabela hash é adequada para sistemas de arquivos de grande escala e os dados do arquivo podem ser encontrados em tempo O(1).
Estruturas de árvore B e árvore B+: Essas estruturas de árvore são adequadas para sistemas de arquivos grandes e podem gerenciar com eficiência um grande número de arquivos e diretórios. As estruturas de árvore B e árvore B+ são balanceadas e altamente otimizadas para desempenho de pesquisa.

A alocação de blocos de arquivos refere-se ao processo de alocação de espaço de armazenamento para arquivos no sistema de arquivos. Os métodos comuns de alocação de blocos de arquivos são os seguintes:

Alocação contígua: Aloque o espaço de armazenamento de arquivos para o arquivo como um espaço físico contíguo. Esta abordagem é simples e eficiente, mas propensa à fragmentação externa.
Alocação de link: use uma lista vinculada para vincular os blocos de dados do arquivo. Cada bloco de dados contém um ponteiro para o próximo bloco de dados. Essa abordagem é flexível, mas requer sobrecarga adicional de ponteiro.
Alocação de índice: Uma tabela de índice é mantida para cada arquivo, e as entradas na tabela de índice apontam para os blocos que realmente armazenam os dados. Este método é adequado para arquivos grandes e acesso aleatório, mas requer mais espaço para armazenar a tabela de índices.
Alocação mista: Combine alocação contínua e alocação de link e escolha o método de alocação apropriado de acordo com o tamanho do arquivo e modo de acesso. Por exemplo, use alocação de link para arquivos pequenos e alocação de índice para arquivos grandes.

Para implementar a alocação de blocos de arquivos, fatores como gerenciamento de espaço livre, estratégia de alocação e desfragmentação precisam ser considerados. O sistema de arquivos mantém uma lista de blocos ou bitmap livre para rastrear o espaço de armazenamento disponível e seleciona os blocos apropriados para alocação de acordo com diferentes estratégias de alocação. Para evitar problemas de fragmentação, o sistema de arquivos pode realizar operações de desfragmentação para organizar blocos livres dispersos em espaço contínuo para melhorar a utilização do armazenamento e a eficiência do acesso.

5.4 Como proteger a segurança do sistema de arquivos e evitar a perda de arquivos?

Proteger o sistema de arquivos e evitar a perda de arquivos são considerações muito importantes no projeto do sistema de arquivos. Aqui estão alguns aspectos principais:

Controle de acesso e gerenciamento de direitos: O sistema de arquivos deve fornecer um mecanismo de controle de acesso para garantir que somente usuários autorizados possam acessar arquivos e diretórios. Isso inclui gerenciar e restringir o acesso a arquivos usando bits de permissão (como permissões de leitura, gravação e execução), autenticação de usuário e listas de controle de acesso (ACLs).
Criptografia e autenticação: Para dados e arquivos confidenciais, algoritmos de criptografia podem ser usados para proteger a confidencialidade dos dados. Além disso, mecanismos de autenticação como nome de usuário e senha, criptografia de chave pública, etc. podem impedir que usuários não autorizados acessem o sistema de arquivos.
Estratégia de backup e recuperação: Fazer backup regularmente de dados importantes no sistema de arquivos é uma medida fundamental para evitar a perda de arquivos. Os backups podem incluir backups completos e incrementais para garantir que os dados do sistema de arquivos possam ser recuperados em caso de falha ou desastre.
Mecanismo de redundância e tolerância a falhas: Ao implementar mecanismos redundantes de armazenamento e tolerância a falhas, como RAID (matriz redundante de discos) e outras tecnologias, a confiabilidade e a tolerância a falhas do sistema de arquivos podem ser aumentadas. Isso evita a perda de dados devido a falhas de hardware.
Manutenção e monitoramento regulares: Manutenção regular do sistema de arquivos, incluindo limpeza de disco, desfragmentação, reparo de erros, etc., para manter a integridade do sistema de arquivos. Ao mesmo tempo, monitorar o status de execução do sistema de arquivos, descobrir e lidar com situações anormais a tempo pode evitar mais perdas de dados.

6. Resumo

O sistema de arquivos é uma parte importante do sistema operacional do computador, responsável por gerenciar e organizar arquivos e diretórios em dispositivos de armazenamento. Este artigo apresenta de forma abrangente a definição, função e estrutura de composição do sistema de arquivos e discute detalhadamente o gerenciamento, otimização de desempenho, segurança e estratégia de backup do sistema de arquivos.
Em primeiro lugar, a função do sistema de arquivos no sistema operacional não pode ser ignorada. Ele fornece operações como criação, leitura, gravação e exclusão de arquivos, permitindo aos usuários gerenciar e acessar facilmente os dados armazenados no computador. O sistema de arquivos organiza arquivos e diretórios por meio de uma estrutura hierárquica, incluindo a camada do sistema de arquivos, a camada de diretório e a camada de arquivos, tornando o gerenciamento de arquivos mais ordenado e eficiente.
Segundo, o gerenciamento e a manutenção do sistema de arquivos envolvem muitos aspectos. O gerenciamento de espaço livre, a estrutura de índice e a alocação de blocos de arquivos são as principais tecnologias para realizar a alocação e recuperação de arquivos. O sistema de arquivos também fornece controle de acesso e gerenciamento de direitos para garantir que somente usuários autorizados possam acessar os arquivos. As estratégias de backup e recuperação garantem a segurança e a confiabilidade dos arquivos.
Além disso, a otimização do desempenho do sistema de arquivos é um meio importante para melhorar o desempenho geral do sistema operacional. Estratégias de otimização, como pré-alocação e alocação atrasada, pool de memória e gerenciamento de cache podem melhorar a velocidade de acesso e a eficiência de armazenamento do sistema de arquivos, reduzir a sobrecarga desnecessária de recursos e melhorar o desempenho do sistema.
Por fim, a segurança do sistema de arquivos e os backups são essenciais para manter os dados seguros. Os mecanismos de controle de acesso e gerenciamento de direitos protegem a confidencialidade e integridade dos arquivos, e as tecnologias de criptografia e autenticação fornecem camadas adicionais de segurança. As estratégias de backup e recuperação garantem que as operações de backup e recuperação de arquivos possam ser executadas de forma eficiente e confiável para evitar perda de dados.