Manajemen Sistem File

1.1            Struktur Sistem File

Disk merupakan tempat penyimpanan sekunder dimana sistem berkas disimpan.

Ada dua karakteristik dalam penyimpanan banyak berkas, yaitu:

1.      Sebuah disk dapat ditulis kembali, memungkinkan untuk membaca, memodifikasi, dan menulis blok kembali pada tempat yang sama.

2.      Sebuah blok yang menyimpan informasi yang kita cari, dapat diakses secara langsung. Dalam aplikasinya, kita dapat mengakses berkas secara random maupun sequential.

Sistem operasi menyediakan satu atau lebih sistem berkas untuk menyimpan dan mengambil data dengan mudah. Struktur berkas itu sendiri terdiri dari beberapa layer.

 

Setiap level menggunakan feature-feature dari lapisan di bawahnya untuk digunakan sebagai feature baru bagi lapisan di atasnya. Level terbawah adalah I/O control yang terdiri dari beberapa device driver dan penanganan interupsi untuk memindahkan informasi antara memori utama dan disk system. Device driver dapat dianggap sebagai penerjemah. Inputnya terdiri dari perintah-perintah high level, misalkan "ambil blok 123". Outputnya berupa instruksi-instruksi hardware yang lebih spesifik. Instruksi ini digunakan oleh pengendali hardware yang menghubungkan I/O device dengan sistem lainnya.

Basic file system bertugas dalam hal menyampaikan perintah-perintah generic ke device driver yang dituju untuk membaca dan menulis blok-blok fisik pada disk. Masing-masing blok fisik diidentifikasi dengan alamat disknya.

File organization modul adalah lapisan dalam sistem berkas yang mengetahui tentang berkas, blok-blok logis, dan blok-blok fisik. Dengan mengetahui tipe dan lokasi dari berkas yang digunakan, file organization moduldapat menerjemahkan alamat blok logis ke alamat blok fisik untuk selanjutnya diteruskan ke lapisan basic file system. File organization modul juga mengandung free space manager yang mencatat jejak blok-blok yang tidak dialokasikan dan menyediakannya ke file organization modul ketika dibutuhkan.

Lapisan yang terhubung dengan program aplikasi yaitu logical file system yang bertugas dalam mengatur informasi metadata. Metadata meliputi semua struktur dari sistem berkas, kecuali data sebenarnya (isi dari berkas). Lapisan ini juga mengatur struktur direktori untuk menyediakan informasi yang dibutuhkan file organization modul. Struktur dari sebuah berkas ditentukan oleh lapisan ini dengan adanya file control block.

1.2           Metode Pengalokasian

Kemudahan dalam mengakses langsung suatu disk memberikan fleksibilitas dalam mengimplementasikan sebuah berkas. Masalah utama dalam implementasi adalah bagaimana mengalokasikan berkas-berkas ke dalam disk, sehingga disk dapat terutilisasi dengan efektif dan berkas dapat diakses dengan cepat. Ada tiga metode utama, menurut buku "Applied Operating System Concepts: First Edition" oleh Avi Silberschatz, Peter Galvin dan Greg Gagne untuk mengalokasi ruang disk yang digunakan secara luas yaitu, contiguous, linked, dan indexed.

Alokasi Secara Berdampingan (Contiguous Allocation)

Metode ini menempatkan setiap berkas pada satu himpunan blok yang berurut di dalam disk. Alamat disk menyatakan sebuah urutan linier. Dengan urutan linier ini maka head disk hanya bergerak jika mengakses dari sektor terakhir suatu silinder ke sektor pertama silinder berikutnya. Waktu pencarian (seek time) dan banyak disk seek yang dibutuhkan untuk mengakses berkas yang di alokasi secara berdampingan ini sangat minimal. Contoh dari sistem operasi yang menggunakan contiguous allocation adalah IBM VM/ CMS karena pendekatan ini menghasilkan performa yang baik.

Contiguous allocation dari suatu berkas diketahui melalui alamat dan panjang disk (dalam unit blok) dari blok pertama. Jadi, misalkan ada berkas dengan panjang n blok dan mulai dari lokasi b maka berkas tersebut menempati blok b, b+1, b+2, ..., b+n-1. Direktori untuk setiap berkas mengindikasikan alamat blok awal dan panjang area yang dialokasikan untuk berkas tersebut.

Terdapat dua macam cara untuk mengakses berkas yang dialokasi dengan metode ini, yaitu:

·         Sequential access, sistem berkas mengetahui alamat blok terakhir dari disk dan membaca blok berikutnya jika diperlukan.

·         Direct access, untuk akses langsung ke blok i dari suatu berkas yang dimulai pada blok b, dapat langsung mengakses blok b+i.

Kesulitan dari metode alokasi secara berdampingan ini adalah menemukan ruang untuk berkas baru. Masalah pengalokasian ruang disk dengan metode ini merupakan aplikasi masalah dari dynamic storage-allocation(alokasi tempat penyimpanan secara dinamik), yaitu bagaimana memenuhi permintaan ukuran n dari daftar ruang kosong. Strategi-strategi yang umum adalah first fit dan best fit. Kedua strategi tersebut mengalami masalah fragmentasi eksternal, dimana jika berkas dialokasi dan dihapus maka ruang kosong disk terpecah menjadi kepingan-kepingan kecil. Hal ini akan menjadi masalah ketika banyak kepingan kecil tidak dapat memenuhi permintaan karena kepingan-kepingan kecil tidak cukup besar untuk menyimpan berkas, sehingga terdapat banyak ruang yang terbuang.

Masalah yang lain adalah menentukan berapa banyak ruang yang diperlukan untuk suatu berkas. Ketika berkas dibuat, jumlah dari ruang berkas harus ditentukan dan dialokasikan. Jika ruang yang dialokasikan terlalu kecil maka berkas tidak dapat diperbesar dari yang telah dialokasikan. Untuk mengatasi hal ini ada dua kemungkinan. Pertama, program pengguna dapat diakhiri dengan pesan error yang sesuai. Lalu, pengguna harus mengalokasikan tambahan ruang dan menjalankan programnya lagi, tetapi hal ini cost yang dihasilkan lebih mahal. Untuk mengatasinya, pengguna dapat melakukan estimasi yang lebih terhadap ruang yang harus dialokasikan pada suatu berkas tetapi hal ini akan membuang ruang disk. Kemungkinan yang kedua adalah mencari ruang kosong yang lebih besar, lalu menyalin isi dari berkas ke ruang yang baru dan mengkosongkan ruang yang sebelumnya. Hal ini menghabiskan waktu yang cukup banyak. Walau pun jumlah ruang yang diperlukan untuk suatu berkas dapat diketahui, pengalokasian awal akan tidak efisien. Ukuran berkas yang bertambah dalam periode yang lama harus dapat dialokasi ke ruang yang cukup untuk ukuran akhirnya, walau pun ruang tersebut tidak akan digunakan dalam waktu yang lama. Hal ini akan menyebabkan berkas dengan jumlah fragmentasi internal yang besar.

Untuk menghindari hal-hal tersebut, beberapa sistem operasi memodifikasi skema metode alokasi secara berdampingan, dimana kepingan kecil yang berurut dalam ruang disk diinisialisasi terlebih dahulu, kemudian ketika jumlah ruang disk kurang besar, kepingan kecil yang berurut lainnya, ditambahkan pada alokasi awal. Kejadian seperti ini disebut perpanjangan. Fragmentasi internal masih dapat terjadi jika perpanjangan-perpanjangan ini terlalu besar dan fragmentasi eksternal masih menjadi masalah begitu perpanjangan-perpanjangan dengan ukuran yang bervariasi dialokasikan dan didealokasi.

Alokasi Secara Berangkai (Linked Allocation)

Metode ini menyelesaikan semua masalah yang terdapat pada contiguous allocation. Dengan metode ini, setiap berkas merupakan linked list dari blok-blok disk, dimana blok-blok disk dapat tersebar di dalam disk. Setiap direktori berisi sebuah penunjuk (pointer) ke awal dan akhir blok sebuah berkas. Setiap blok mempunyai penunjuk ke blok berikutnya. Untuk membuat berkas baru, kita dengan mudah membuat masukan baru dalam direktori. Dengan metode ini, setiap direktori masukan mempunyai penunjuk ke awal blok disk dari berkas. Penunjuk ini diinisialisasi menjadi nil (nilai penunjuk untuk akhir dari list) untuk menandakan berkas kosong. Ukurannya juga diset menjadi 0. Penulisan suatu berkas menyebabkan ditemukannya blok yang kosong melalui sistem manajemen ruang kosong (free-space management system), dan blok baru ini ditulis dan disambungkan ke akhir berkas. Untuk membaca suatu berkas, cukup dengan membaca blok-blok dengan mengikuti pergerakan penunjuk.

Metode ini tidak mengalami fragmentasi eksternal dan kita dapat menggunakan blok kosong yang terdapat dalam daftar ruang kosong untuk memenuhi permintaan pengguna. Ukuran dari berkas tidak perlu ditentukan ketika berkas pertama kali dibuat, sehingga ukuran berkas dapat bertambah selama masih ada blok-blok kosong.

Metode ini tentunya mempunyai kerugian, yaitu metode ini hanya dapat digunakan secara efektif untuk pengaksesan berkas secara sequential (sequential-access file). Untuk mencari blok ke-i dari suatu berkas, harus dimulai dari awal berkas dan mengikuti penunjuk sampai berada di blok ke-i. Setiap akses ke penunjuk akan membaca disk dan kadang melakukan pencarian disk (disk seek). Hal ini sangat tidak efisien untuk mendukung kemampuan akses langsung (direct-access) terhadap berkas yang menggunakan metode alokasi link. Kerugian yang lain dari metode ini adalah ruang yang harus disediakan untuk penunjuk. Solusi yang umum untuk masalah ini adalah mengumpulkan blok-blok persekutuan terkecil dinamakan clusters dan mengalokasikan cluster-cluster daripada blok. Dengan solusi ini maka, penunjuk menggunakan ruang disk berkas dengan persentase yang sangat kecil. Metode ini membuat mapping logikal ke fisikal blok tetap sederhana, tetapi meningkatkan disk throughput dan memperkecil ruang yang diperlukan untuk alokasi blok dan management daftar kosong (free-list management). Akibat dari pendekatan ini adalah meningkatnya fragmentasi internal, karena lebih banyak ruang yang terbuang jika sebuah cluster sebagian penuh daripada ketika sebuah blok sebagian penuh. Alasancluster digunakan oleh kebanyakan sistem operasi adalah kemampuannya yang dapat meningkatkan waktu akses disk untuk berbagai macam algoritma.

Masalah yang lain adalah masalah daya tahan metode ini. Karena semua berkas saling berhubungan dengan penunjuk yang tersebar di semua bagian disk, apa yang terjadi jika sebuah penunjuk rusak atau hilang. Hal ini menyebabkan berkas menyambung ke daftar ruang kosong atau ke berkas yang lain. Salah satu solusinya adalah menggunakan linked list ganda atau menyimpan nama berkas dan nomor relatif blok dalam setiap blok, tetapi solusi ini membutuhkan perhatian lebih untuk setiap berkas.

Variasi penting dari metode ini adalah penggunaan file allocation table (FAT), yang digunakan oleh sistem operasi MS-DOS dan OS/2. Bagian awal disk pada setiap partisi disingkirkan untuk menempatkan tabelnya. Tabel ini mempunyai satu masukkan untuk setiap blok disk, dan diberi indeks oleh nomor blok. Masukkan direktori mengandung nomor blok dari blok awal berkas. Masukkan tabel diberi indeks oleh nomor blok itu lalu mengandung nomor blok untuk blok berikutnya dari berkas. Rantai ini berlanjut sampai blok terakhir, yang mempunyai nilai akhir berkas yang khusus sebagai masukkan tabel. Blok yang tidak digunakan diberi nilai 0. Untuk mengalokasi blok baru untuk suatu berkas hanya dengan mencari nilai 0 pertama dalam tabel, dan mengganti nilai akhir berkas sebelumnya dengan alamat blok yang baru. Metode pengalokasian FAT ini dapat menghasilkan jumlah pencarian head disk yang signifikan, jika berkas tidak di cache. Head disk harus bergerak dari awal partisi untuk membaca FAT dan menemukan lokasi blok yang ditanyakan, lalu menemukan lokasi blok itu sendiri. Kasus buruknya, kedua pergerakan terjadi untuk setiap blok. Keuntungannya waktu random akses meningkat, akibat dari head disk dapat mencari lokasi blok apa saja dengan membaca informasi dalam FAT.

Alokasi Dengan Indeks (Indexed Allocation)

Metode alokasi dengan berangkai dapat menyelesaikan masalah fragmentasi eksternal dan pendeklarasian ukuran dari metode alokasi berdampingan. Bagaimana pun tanpa FAT, metode alokasi berangkai tidak mendukung keefisiensian akses langsung, karena penunjuk ke bloknya berserakan dengan bloknya didalam disk dan perlu didapatkan secara berurutan. Metode alokasi dengan indeks menyelesaikan masalah ini dengan mengumpulkan semua penunjuk menjadi dalam satu lokasi yang dinamakan blok indeks (index block). Setiap berkas mempunyai blok indeks, yang merupakan sebuah larik array dari alamat-alamat disk-blok. Direktori mempunyai alamat dari blok indeks. Ketika berkas dibuat, semua penunjuk dalam blok indeks di set menjadi nil. Ketika blok ke-i pertama kali ditulis, sebuah blok didapat dari pengatur ruang kosong free-space manager dan alamatnya diletakkan ke dalam blok indeks ke-i.

Metode ini mendukung akses secara langsung, tanpa mengalami fragmentasi eksternal karena blok kosong mana pun dalam disk dapat memenuhi permintaan ruang tambahan. Tetapi metode ini dapat menyebabkan ada ruang yang terbuang. Penunjuk yang berlebihan dari blok indeks secara umum lebih besar dari yang terjadi pada metode alokasi berangkai.

Mekanisme untuk menghadapi masalah berapa besar blok indeks yang diperlukan sebagai berikut:

·         Linked scheme: untuk berkas-berkas yang besar, dilakukan dengan menyambung beberapa blok indeks menjadi satu.

·         Multilevel index: sebuah varian dari representasi yang berantai adalah dengan menggunakan blok indeks level pertama menunjuk ke himpunan blok indeks level kedua, yang akhirnya menunjuk ke blok-blok berkas.

·         Combined scheme: digunakan oleh sistem BSD UNIX yaitu dengan menetapkan 15 penunjuk dari blok indeks dalam blok indeksnya berkas. 12 penunjuk pertama menunjuk ke direct blocks yang menyimpan alamat-alamat blok yang berisi data dari berkas. 3 penunjuk berikutnya menunjuk ke indirect blocks. Penunjuk indirect blok yang pertama adalah alamat dari single indirect block, yang merupakan blok indeks yang berisi alamat-alamat blok yang berisi data. Lalu ada penunjuk double indirect block yang berisi alamat dari sebuah blok yang berisi alamat-alamat blok yang berisi penunjuk ke blok data yang sebenarnya.

Kinerja Sistem Berkas

Salah satu kesulitan dalam membandingkan performa sistem adalah menentukan bagaimana sistem tersebut akan digunakan. Sistem yang lebih banyak menggunakan akses sekuensial (berurutan) akan memakai metode yang berbeda dengan sistem yang lebih sering menggunakan akses random (acak). Untuk jenis akses apa pun, alokasi yang berdampingan hanya memerlukan satu akses untuk mendapatkan sebuah blok disk. Karena kita dapat menyimpan initial address dari berkas di dalam memori, maka alamat disk pada blok ke-i dapat segera dikalkulasi dan dibaca secara langsung.

Untuk alokasi berangkai (linked list), kita juga dapat menyimpan alamat dari blok selanjutnya ke dalam memori, lalu membacanya secara langsung. Metode ini sangat baik untuk akses sekuensial, namun untuk akses langsung, akses menuju blok ke-ikemungkinan membutuhkan pembacaan disk sebanyak i kali. Masalah ini mengindikasikan bahwa alokasi berangkai sebaiknya tidak digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan akses langsung.

Oleh sebab itu, beberapa sistem mendukung akses langsung dengan menggunakan alokasi berdampingan (contiguous allocation), serta akses berurutan dengan alokasi berangkai. Untuk sistem-sistem tersebut, jenis akses harus dideklarasikan pada saat berkas dibuat. Berkas yang dibuat untuk akses sekuensial (berurutan) akan dirangkaikan dan tidak dapat digunakan untuk akses langsung. Berkas yang dibuat untuk akses langsung akan berdampingan dan dapat mendukung baik akses langsung mau pun akses berurutan, dengan mendeklarasikan jarak maksimum. Perhatikan bahwa sistem operasi harus mendukung struktur data dan algoritma yang sesuai untuk mendukung kedua metode alokasi di atas.

Alokasi dengan menggunakan indeks lebih rumit lagi. Jika blok indeks telah terdapat dalam memori, akses dapat dilakukan secara langsung. Namun, menyimpan blok indeks dalam memori memerlukan ruang (space) yang besar. Jika ruang memori tidak tersedia, maka kita mungkin harus membaca blok indeks terlebih dahulu, baru kemudian blok data yang diinginkan. Untuk indeks dua tingkat, pembacaan dua blok indeks mungkin diperlukan. Untuk berkas yang berukuran sangat besar, mengakses blok di dekat akhir suatu berkas akan membutuhkan pembacaan seluruh blok indeks agar dapat mengikuti rantai penunjuk sebelum blok data dapat dibaca. Dengan demikian, performa alokasi dengan menggunakan indeks ditentukan oleh: struktur indeks, ukuran berkas, dan posisi dari blok yang diinginkan.

Beberapa sistem mengkombinasikan alokasi berdampingan dengan alokasi indeks. Caranya adalah dengan menggunakan alokasi berdampingan untuk berkas berukuran kecil (3-4 blok), dan beralih secara otomatis ke alokasi indeks jika berkas semakin membesar.