計算機システム概論・５回目
本日のトピック：ファイルシステムについて
ユーザの視点からみたファイル，ファイルシステム
ファイル，ファイルシステムとは
ファイルシステムの提供する機能
OSの視点からみたファイル，ファイルシステム
ファイルシステムの実現法
1
ファイルとファイルシステム
ファイル：
情報を記録するもの
電源を切っても消えない（不揮発性）
新しく作ったり，消したり，読んだり，書き換えたりできる
ファイルシステム：
ファイルを整理・収納するための仕組み
木構造ファイルシステムが一般的
2
ハードディスクの仕組み
ヘッド ディスク0
ヘッド0
ヘッド1
横から見た図
トラック（１周分）
ディスク
両面に磁性体塗布
セクタ
読出，書込の
最小単位
上から見た図
3
ハードディスクにおけるデータ格納
データの読み出し・書き込みはセクタ単位で行われる
１セクタ＝数百～数キロバイト：読み書き時の１ブロック
ブロックのアドレス＝（ヘッド番号，トラック番号，セクタ番号）
平均すると，どのブロックもアクセスにかかる時間は同じ...
連続したセクタの内容を読み込むのは，比較的早い
違うトラックの内容を読み込むには，ヘッドの移動が必要
⇒時間がかかる
ファイルシステムの格納を念頭においたものではない
4
OSの役割
OSの仕事：
ユーザに対しては，論理的なファイルシステムのビューを提供
外部記憶装置へは，単なるバイト列を格納
OS
3F 2A 82 FE
91 0A BA 5D
2E 1A 00 F3
E3 05 08 18
バイト列
ファイルシステム
5
OSの役割：ユーザ向け
OSの任務（ユーザ向け）：
論理的で使い易いファイルシステムのビューを提供すること
木構造ファイルシステム
木構造システムの拡張
ファイルシステムを操作するための機能を提供すること
ファイルの作成や削除，編集等
ファイルへのアクセス権設定と権限管理
6
木構造ファイルシステム
木構造ファイルシステムの概要
「ディレクトリ（フォルダ）」と呼ばれる特殊なファイルが存在
複数のファイルを格納する「容器」
ディレクトリの中には，他のファイルやディレクトリが存在
ファイルの構成は，全体として巨大な木構造になる
ルートディレクトリ：
根に相当するディレクトリ
dir1
dir2
dir4
file1
file3
file2
dir3
file4
（プロセスの）カレントディレクトリ：
プロセスが，現在作業
を行っているディレクトリ
7
木構造ファイルシステムの拡張（１）
木構造ファイルシステムを更に使いやすくするための機能
リンク（ショートカット）
木構造の他の部分を，自分の子のようにみなす機能
実体は一個だけ．参照のための道筋が複数ある
dir1
dir2
dir1
dir3
dir2
dir3
file1 file2 dir4 file3
file1 file1 file2 dir4 dir4 file3
リンク：仮想的な親子関係
ユーザからのビュー
8
木構造ファイルシステムの拡張（２）
マウント
複数のファイルシステムを，接いでひとつにする
ファイルシステム１
ひとつの大きな
ファイルシステム
マウント
ファイルシステム２
NFSマウント：
ネットワーク上にある他のマシンの
ファイルシステムをマウントすること
9
ディスクマウントの例
１台のディスク内に，複数の論理的ファイルシステムを構成
マウントして，一つのファイルシステムに「見せかける」
⇒ 運用上の利便性確保
/usr にマウント
/data にマウント
スワップ領域として確保
/tmp にマウント
ルートファイルシステムに使用 /var にマウント
個々の分割単位：ボリューム，パーティション
10
ユーザに提供する操作
ファイルシステム：様々な操作をユーザに提供する
個々のファイルに対する操作
ファイルの中身を読む，書き換える
ファイルのアクセス権を設定する
ファイルの存在に対する操作
ファイル（含ディレクトリ）を作る，消す
ファイルを他の場所に移動する，名前を変える
ファイルをコピーする，リンクを作成する
カレントディレクトリを変更する
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ファイル内容への参照方法について
ファイル内容をいかにして参照するか：２通りのサービス
順編成ファイル：柔軟性に欠けるが，負荷は小さい
ファイルの先頭から順番にしか，読み書きできない
1 2 3 4 5 …
直接編成ファイル：柔軟だが，負荷が小さい
ファイルの中のどこでも自由に読み書きできる
3
2 5 1
4
12
アクセス権について
ファイルは，ユーザ全員の共有資源：
基本的には，誰がどのファイルを読み書きしても良い
必要に応じてアクセス制御を行う
誰がそのファイルを読めるのか
誰がそのファイルに書き込めるのか
UNIXの場合：
ファイルごとにアクセス権設定可能
{所有者，同グループ，他人}×{読出，書込，実行}
rwx r-x ---
myfile
r w x
13
ファイルの存在に対する操作
ファイルの存在に対する操作
ファイルの作成，消去，移動，コピー...
⇒ ファイルシステムの実現と，密接に関係する
さきに，ファイルシステムの実現法について考える
ボリュームの全体設計
未使用ブロックの管理
ファイルの表現方法
ディレクトリの表現
14
ディスクボリュームの内部構成
ひとつのボリューム（パーティション）
データ領域．．．ファイルの中身を格納
インデックス領域．．．ファイルの索引情報を格納
スーパーブロック．．．ボリューム管理用情報を格納
（未使用ブロックに関する情報など）
未使用ブロック管理：いくつかの方法が知られている
ビットマップ法
連結リスト法
15
ビットマップ法
データ領域ブロックと一対一に対応させる形で，２進の
ビット系列（ビットマップ）を，スーパーブロックに準備する
ビットマップ中のデータで，ブロックが使用中か否か示す
未使用ブロックに対応するところは０
使用中ブロックに対応するところは１
データ領域．．．Bブロック
1 1 0 1 0 1 0 0 1 1
0 1
ビットマップ （Bビット）
16
連結リスト法
未使用ブロックを，連結リストの形で管理
（メモリ管理のときと同様の手法）
スーパーブロックには，リストの先頭要素を格納
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ファイルの実現
インデックス
データ領域
ファイルは...
インデックス領域に管理情報を保持
データ領域に中身（実体）を保持
具体的な実現法：
連続割付
リンク割付
索引割付
18
連続割付
データ領域の連続したブロックに，実体を割り付ける
インデックス領域には，開始ブロックとサイズを記録
インデックス領域
name start size
A
2
3
B
6
2
C
8
4
D
12
3
データ領域
0
1
2
3
4
A A A
8
9
5
6
7
B B
10 11 12 13 14 15
C C C C D D D
ディスクの特性から，アクセスは効率的に行える
ファイルサイズを動的に変更できない
断片化の問題
19
リンク割付
非連続に配置されたファイルの実体を，ポインタで結ぶ
インデックス領域には，リストの先頭を記録
インデックス領域
name start
A
13
B
1
C
10
D
8
データ領域
0
1
2
D B
8
D
9
3
4
5
C A
6
7
B C
10 11 12 13 14 15
C
C A D A
ファイルサイズの動的変更が容易
基本的に，順編成ファイルしか提供できない
事故（ブロック破損）に対する耐性が低い
20
索引割付
非連続に配置された実体を，索引ブロックで取りまとめる
インデックス領域には，索引ブロックの位置を記録
インデックス領域
name index
A
5
B
1
C
10
D
8
13 4
15
データ領域
0
1
2
D B
8
D
9
3
4
5
6
C A
7
B C
10 11 12 13 14 15
C
A
A
柔軟なファイル操作を提供できる
事故の影響を最小限に封じ込める
索引ブロックのために，余分なブロックを消費
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UNIXのファイル割付
索引割付の手法を拡張したもの
インデックス領域は，以下の１５個のブロックの位置を保持：
a) 直接ブロック×12
b) １次索引ブロック×1...「ブロック ×256個」を格納
c) ２次索引ブロック×1...「１次索引ブロック×256個」を格納
d) ３次索引ブロック×1...「２次索引ブロック×256個」を格納
インデックス領域…「１５個のブロック位置を持つ構造体」の集合
name
b0 b2 … b11 i1 i2 i3
A
B
i ノード
C
22
i ノードの構造
３次索引
ブロック
i ノード
直接ブロック
２次索引
ブロック
12
１次索引
ブロック
256
間接ブロック
256
二重間接ブロック
256
三重間接ブロック
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ファイルサイズの上限
１ブロック＝4KBのとき，ファイルサイズが
4x12 = 48KB以下
...直接ブロックのみ使用
4x12+4x256 = 1072KB以下
...間接ブロックまで使用
4x12+4x256+4x(256)2 ≈ 256MB以下
...二重間接ブロックまで使用
4x12+4x256+4x(256)2 +4x(256)3 ≈ 64GB以下
...三重間接ブロックまで使用
24
ディレクトリの表現
ディレクトリ：
ファイルの一種
そのディレクトリに属するファイルの情報を含む
i ノード番号とファイル名からなるテキスト形式の表
i ノード
i ノード番号
1118
16609
87886
9363
ファイル名
. （自ディレクトリ）
..（親ディレクトリ）
.cshrc
work
25
ファイルへのアクセス
/home/is/kaji/abcにアクセスするには...
ルートディレクトリの
i ノード（固定）
995
:
995 home
:
:
12211 is
:
12211
:
96302 abc
:
34165
96302
Hello!
:
34165 kaji
:
26
ファイルの作成と消去
ファイルの作成：
新しい i ノードを確保
未使用ブロックを持ってきて，実体を格納する
i ノードがファイルの実体を指すようにする
親ディレクトリに i ノード番号と名前を登録する
ファイルの消去：
親ディレクトリから登録を抹消する
使用していたブロックを未使用ブロックとして登録する
i ノードを解放する
（データ部分が消去されるわけではないことに注意）
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本日のまとめ
ファイル管理について
OSが提供するファイルシステムとその機能
ディスク装置について
未使用ブロックとファイル割付
次回：ユーザ管理について
実験課題（提出不要）：UNIX上でmountコマンドを実行し，
どのようなファイルシステムがマウントされているか確認せよ
28
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