1.10 Gerência de armazenamento

O sistema operacional fornece uma visão lógica e uniforme do armazenamento de informações, abstraindo as propriedades físicas dos dispositivos de armazenamento. Ele define uma unidade de armazenamento lógica chamada arquivo, que é mapeada no meio físico e acessada por dispositivos de armazenamento.

Analogia com Roblox: Imagine o Roblox como um sistema operacional. Ele gerencia todos os itens, skins, mapas e scripts que você usa nos jogos. Esses itens são como "arquivos" que o Roblox organiza e torna acessíveis para você, independentemente de onde eles estejam armazenados fisicamente (servidores, nuvem, etc.).

1.10.1 Gerência de Sistema de Arquivos

A gerência de arquivos é uma parte visível do sistema operacional, responsável por organizar e controlar o acesso a arquivos e diretórios. Os arquivos podem ser de vários tipos (texto, binários, etc.) e são armazenados em diferentes mídias (discos magnéticos, ópticos, fitas). O sistema operacional gerencia a criação, remoção, organização e acesso a esses arquivos.

Analogia com Roblox: No Roblox, você tem uma "pasta" de inventário onde todos os seus itens (arquivos) são organizados. Alguns itens são raros (como arquivos importantes), outros são comuns (como arquivos de texto). O Roblox também controla quem pode acessar seus itens (leitura, escrita, remoção), assim como um sistema operacional faz com arquivos.

1.10.2 Gerência de Armazenamento em Massa

Como a memória principal é limitada e volátil, o armazenamento secundário (como discos) é essencial para guardar programas e dados. O sistema operacional gerencia o espaço livre, a alocação de armazenamento e o escalonamento do disco para garantir eficiência. Além disso, há o armazenamento terciário (como fitas e CDs), usado para backups e dados raramente acessados.

Analogia com Roblox: Pense no armazenamento secundário como o seu "inventário principal" no Roblox, onde você guarda os itens que usa com frequência. Já o armazenamento terciário seria como um "baú de tesouro" onde você guarda itens raros ou que não usa muito (como skins antigas ou itens de eventos passados). O Roblox gerencia esses espaços para que você possa acessá-los quando precisar.

1.10.3 Caching

O caching é um conceito essencial para entender como os sistemas computadorizados otimizam o acesso a informações. Ele funciona como uma camada intermediária de armazenamento rápido, reduzindo o tempo de acesso a dados frequentemente utilizados.

Como funciona:

Armazenamento de Informações:
- As informações são armazenadas em dispositivos como a memória principal.
- Quando acessadas, são copiadas temporariamente para uma memória mais rápida, chamada cache.
Busca de Dados:
- Ao buscar uma informação, o sistema primeiro verifica se ela está no cache.
  - Se estiver (cache hit), os dados são usados diretamente do cache.
  - Se não estiver (cache miss), o sistema busca a informação na memória principal (ou secundária) e a copia para o cache, acelerando futuros acessos.
Registradores e Algoritmos:
- Registradores (como os de índice) são gerenciados por algoritmos que decidem quais dados manter no cache e quais enviar para a memória principal.
- Esses algoritmos são implementados por programadores, compiladores ou diretamente no hardware.
Cache de Instruções:
- Muitos sistemas possuem um cache de instruções, que armazena as próximas instruções a serem executadas pela CPU.
- Isso evita que a CPU perca ciclos buscando instruções na memória principal.
Hierarquia de Memórias:
- O cache está no topo da hierarquia de memórias, sendo a mais rápida, porém com capacidade limitada.
- Abaixo dele estão a memória principal e o armazenamento secundário (discos, SSDs).
Gerenciamento de Cache:
- Como o cache tem tamanho reduzido, seu gerenciamento é crucial. Isso inclui:
  - Definir o tamanho do cache.
  - Estabelecer a política de substituição (ex.: LRU - Least Recently Used) para decidir quais dados remover quando o cache estiver cheio.

Esses fatores podem melhorar o desempenho da memória cache.

A memória principal pode ser vista como um cache rápido para o armazenamento secundário, pois os dados precisam ser copiados da memória secundária para a principal antes de serem utilizados.

De forma recíproca, para serem movidos para a memória secundária, os dados precisam estar primeiro na memória principal, garantindo proteção e integridade.

O sistema de arquivos vê os dados permanentemente gravados no armazenamento secundário de forma hierárquica, existindo diversos níveis na hierarquia:

No nível mais alto -> o sistema operacional pode manter um cache do sistema de arquivos na memória principal.

Também é possível que memórias RAM, como discos de estado sólido (ou então discos eletrônicos de RAM), sejam usadas para armazenamento de alta velocidade, acessados pela interface do sistema de arquivos. Isso significa que a comunicação deve ser feita diretamente com o sistema de arquivos.

Atualmente, a maior parte do armazenamento terciário consiste em HDs ou SSDs.

Níveis e o Cache

Os movimentos de informações entre os níveis da hierarquia de memórias podem ser de dois tipos: explícitos e implícitos. Isso depende da arquitetura do hardware e do software que controla o sistema operacional.

Podemos exemplificar essa questão:

A transferência de dados entre a cache e a CPU e seus registradores-> ocorre diretamente no hardware, sem intervenção do sistema operacional.
A transferência de dados do disco para a memória RAM-> normalmente é controlada pelo sistema operacional.

Como, nessa estrutura hierárquica, os mesmos dados podem aparecer em diferentes níveis de armazenamento, vejamos um exemplo:

Suponha que um texto no arquivo A precise ser alterado para um outro valor no arquivo B, que reside no HD.
Antes da alteração, o sistema precisa emitir uma operação de E/S para copiar o bloco de disco contendo A para a memória principal.
Em seguida, o arquivo A será copiado para o cache e para os registradores internos da CPU.
Assim, a cópia de A estará presente em vários níveis, conforme mostrado abaixo:

Quando a alteração for feita nos registradores internos da CPU, os valores de A serão diferentes nos outros níveis de armazenamento, que permanecerão inalterados.
Somente quando o registrador gravar a mudança no disco rígido (memória secundária), os valores nos diferentes níveis estarão sincronizados, tornando a alteração efetiva.

29 março 2025