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Betriebssysteme
Wintersemester 2013
Kapitel 4 – Ein- / Ausgabe und Dateisysteme
Patrick Kendzo
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Programm
Inhalt
Einleitung
Prozesse und Threads
Speicherverwaltung
Ein- / Ausgabe und Dateisysteme 
Klausurvorbereitung
2
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Ein-/ Ausgabe (1)
Es existieren zwei Arten der Ein- und Ausgabe:

3
1)
Zwei-Dimensional
•
EA zu Bildschirm über Tastatur / Maus für menschliche BenutzerInnen
2)
Ein-Dimensional ( Wird in dieser Vorlesung behandelt )
•
Datenströme (nach Wasserschlauch-Modell)
•
DOS Fenster
•
Dateien
•
Speicher
•
Prozesskommunikation
•
Rechnernetz
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Ein-/ Ausgabe (2)
Ein-/Ausgabe aus Java-Perspektive:
 Ein- und Ausgabeklasse aus Java sind sowohl für Byte als auch für Zeichen
geeignet
•
Dafür steht unterschiedliche Klasse zur Verfügung
 Die Programmierung ist unabhängig von Quelle oder Senke. Am Beispiel von:
•
DOS Fenster
•
Dateien
•
Speicher
•
Prozesskommunikation
•
Rechnernetz
 Java nutzt folgende Filtertechnik (Verarbeitung der Daten nach dem Schreiben
bzw. vor dem Lesen)
•
Kompression und Pufferung
•
Ver- und Entschlüsselung

4
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Ein-/ Ausgabe (3)
Übersicht der Java EA-Klasse:



5
Es existieren zwei Kategorien von Klassen
•
Byteorientierte (blockorientierte) Klassen (Byte Streams)
•
Zeichenorientierte Klassen (Character Streams)
Sowohl Byteströme als auch Zeichenströme werden in Klassen:
• ohne Verarbeitung der Daten (Data Sink Streams)
• mit Verarbeitung der Daten (Procession Streams) unterteilt
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Ein-/ Ausgabe (4)
Übersicht der Java EA-Klasse (continued):


6
Byte-Klassen
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Ein-/ Ausgabe (5)
Übersicht der Java EA-Klasse (continued):


7
Zeichen-Klassen
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Ein-/ Ausgabe (6)
Byte-Klassen: InputStream / OutputStream:


Beschreibung der abstrakten Klasse: InputStream


Besitzt einen Konstruktor ohne Argumente (Dient dem automatischen Öffnen des
Stroms)
int read();
o
o

int read(byte[] buf);
o




8
Einlesen der Werte 0 bis 255;
Am Ende des Stroms  Rückgabewert = -1
Einlesen der Byte-Werte: -127 bis +128; Am Ende des Stroms  Rückgabewert=-1
int read(byte[] buf, int offset, int len);
int skip(long count);
int available(); Anzahl der Bytes, die gelesen werden können, ohne zu blockieren
void close(); Automatisches Schließen erfolgt beim Löschen des Objekts
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Ein-/ Ausgabe (7)
Byte-Klassen: InputStream / OutputStream (continued):


Beschreibung der abstrakten Klasse: OutputStream






9
Besitzt einen Konstruktor ohne Argumente (Dient dem automatischen Öffnens des
Stroms)
int write(int b); Zum Schreiben von Werten
int write(byte[] buf);
int write(byte[] buf, int offset, int len);
int flush(); // Hiermit kann der Puffer eines Stroms geleert werden. D.h. Daten
werden “weggeschrieben”.
void close(); Automatisches Schließen erfolgt beim Löschen des Objekts
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Ein-/ Ausgabe (8)

Byte-Klassen: FileInputStream / FileOutputStream:

Diese Klasse werden zum byteweisen Lesen und Schreiben von Dateien
eingesetzt

FileInputStream (aus InputStream abgeleitet)


10
Besitzt einen Konstruktor mit einem String-Argument(Dateiname)
Datei muss existieren; Sonst  Ausnahme
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Ein-/ Ausgabe (9)

Byte-Klassen: FileInputStream / FileOutputStream:

11
FileOutputStream (aus OutputStream abgeleitet)
1)
Besitzt einen Konstruktor mit einem String-Argument(Dateiname)
 Falls Datei nicht vorhanden ist, wird sie neu erzeugt
 Falls Datei vorhanden ist, so wird bisheriger Inhalt gelöscht (vor dem ersten
Schreiben)
2)
Besitzt einen Konstruktor mit einem String-Argument(Dateiname) und
boolean-Argument
 Falls Datei nicht vorhanden ist, wird sie auch neu erzeugt
 Falls Datei vorhanden ist, so wird bisheriger Inhalt gelöscht (zweites Argument
false) oder es wird an den bisherigen Inhalt angehängt (zweites Argument
true)
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Ein-/ Ausgabe (10)

Beispiel:
import java.io.*;
public class CopyBytes{
public static void main(String[] args) throws IOException {
if(args.length != 2){
System.out.println("usage: java bs.CopyBytes "
+ "<input file name> <output file name>");
return;
}
FileInputStream in = new FileInputStream(args[0]);
FileOutputStream out = new FileOutputStream(args[1]);
int c;
int bytes = 0;
while((c = in.read()) != -1){
out.write(c);
bytes++;
}
in.close();
out.close(); } }
12
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Ein-/ Ausgabe (11)

Filterströme:

13
Konzept

Filterströme werden stapelweise genutzt, um Nutzdaten zu verarbeiten

Filtereingabestrom liest Daten von einem bereits existierenden Eingabestrom und
verändert diese, bevor die Anwendung sie liest

Filterausgabestrom verändert die von der Anwendung übergebenen Daten, bevor
sie in einen bereits existierenden Ausgabestrom geschrieben werden
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Ein-/ Ausgabe (12)

Filterströme (continued):

Metapher: Wasserfilter
 Filter an einem Wasserhahn (Eingabe)
 Filter an einem Schlauch, in den Wasser hineingepumpt wird (Ausgabe)
 Beachte: Metapher nur bedingt geeignet, da diese Filter nur etwas
wegnehmen (ausfiltern) können – Keine Modifikation erfolgt
 In Java können beliebig Daten verarbeitet werden:




14
Datenformatwandlung
Puffern
Kompression / Dekompression
Verschlüsselung / Entschlüsselung
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Ein-/ Ausgabe (13)

Filterströme (continued):

15
Filterklassen haben Konstruktoren mit einem Argument vom Typ derselben
Basisklasse:
 Konstruktor von FilterInputStream besitzt Argument des Typs InputStream

Konstruktor von FilterOutputStream besitzt Argument des Typs
OutputStream

Ein Filterobjekt benutzt den im Konstruktor angegebenen Strom zum Lesen
bzw. Schreiben, fügt aber weitere Funktionalität hinzu
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Ein-/ Ausgabe (14)

Filterströme (continued):

Konkrete Filterklassen innerhalb der byteweisen EA (abgeleitet aus
FilterInputStream bzw. FilterOutputStream):
 Puffern: BufferInputStream, BufferOutputStream:
o Puffern der Daten, um Zugriffe auf die angeschlossene Quelle bzw. Senke
zu reduzieren
o i.d.R. effizienter als ungepufferter Zugriff
o
Konstruktoren:
1.
2.
3.
4.
16
BufferedInputStream(InputStream in);
BufferedInputStream(InputStream in, int bufferSize);
BufferedOutputStream(OutputStream out);
BufferedOutputStream(OutputStream out, int bufferSize);
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Ein-/ Ausgabe (15)

Filterströme (continued):

Konkrete Filterklassen innerhalb der byteweisen EA (continued):
 Binäre EA primitiver Daten: DataInputStream, DataOutputStream:
o Spezielle Methoden zum Lesen / Schreiben von primitiven Daten: short, int,
long, float, double etc…
o Konstruktoren:
1.
2.
o
Methoden von DataInput- und DataOutputStream:




o
17
DataInputStream(InputStream in);
DataOutputStream(OutputStream out);
boolean readBoolean();
byte readByte(); …
void writeBoolean(boolean b);
void writeByte(int b); …
Siehe Java Documentation für eine komplette Auflistung
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Ein-/ Ausgabe (16)

Filterströme (continued):

Konkrete Filterklassen innerhalb der byteweisen EA (continued):
 Eingabestrom mit der Möglichkeit, gelesene Bytes in den
Eingabestrom zurückzusetzen (so, als wären sie noch nicht gelesen worden):
PushbackInputStream
o Konstruktoren:
1.
2.
o
Methoden von PushbackInputStream:



18
PushbackInputStream(InputStream in);
PushbackInputStream(InputStream in, int size); (size: Größe, wie viele Zeichen
zurückgegeben werden können – Standard = 1)
void unread(int b);
void unread(byte[] b);
void unread(byte[] b, int offset, int length);
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Ein-/ Ausgabe (17)

Filterströme (continued):

Konkrete Filterklassen innerhalb der byteweisen EA (continued):
 Ausgabestrom mit Wandlung von primitiven Datentypen in ASCIIBytes (7-Bit-Zeichencodierung): PrintStream:
o Bequemere Nutzung als andere Ausgabemethoden, da Ausnahmen in den
Methoden abgefangen werden
o Konstruktoren:



o
Methoden von PrintStream:




19
PrintStream(OutputStream out);
PrintStream(OutputStream out, boolean autoFlush);
autoFlush: Automatisches Flush beim Schreiben von „Newline“ oder beim
Schreiben eines Byte-Felds (Standard: true)
void print(boolean b);
void print(char c);
void print(char[] c);
…
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Ein-/ Ausgabe (18)

Filterströme (continued):

Weitere Beispiele:
 Kompression (Package java.util.zip): InflaterInputStream,
DeflaterOutputStream
 Verschlüsselung, Entschlüsselung (Package javax.crypto):
CipherInputStream, CipherOutputStream
 Eigene Fliterklassen können entwickeln und in Java integriert werden
 Beispiele für eigene Filterklassen:
1.
2.
20
Nicht druckbare Bytes durch Ausgabe '?' ersetzen (für Ein- und Ausgabe
möglich)
N-Stück: Duplizierung eines Ausgabestroms auf mehrere Ausgabeströme
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Ein-/ Ausgabe (18)

Byteweise Ein-/Ausgabe im Hauptspeicher:

Durch Nutzung der Klassen PipedInputStream bzw. PipedOutputStream:
 Kommunikationskanal zwischen Threads
 PipedInputStream und PipedOutputStream müssen miteinander gekoppelt
werden

Konstruktoren:
1.
2.
3.
4.
21
PipedInputStream();
PipedInputStream(PipedOutputStream source);
PipedOutputStream();
PipedOutputStream(PipedInputStream sink);
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Ein-/ Ausgabe (19)

Zeichen-Klassen: Reader/ Writer:

Beschreibung der abstrakten Klasse: Reader


Besitzt einen Konstruktor ohne Argumente
int read();
o

int read(char[] buf);
o




22
Am Ende des Stroms  Rückgabewert = -1
Am Ende des Stroms  Rückgabewert=-1
int read(char[] buf, int offset, int length);
int skip(long count);
boolean ready(); true, falls nächster read-Aufruf nicht blockiert
void close(); Automatisches Schließen erfolgt beim Löschen des Objekts
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Ein-/ Ausgabe (20)

Zeichen-Klassen : Reader/ Writer:

Beschreibung der abstrakten Klasse: Writer








23
Besitzt einen Konstruktor ohne Argumente
int write(int c);
int write(char[] buf);
int write(char[] buf, int offset, int length);
void write(String string);
void write(String string , int offset, int length);
void flush();
void close(); Automatisches Schließen erfolgt beim Löschen des Objekts
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Ein-/ Ausgabe (21)

Zeichen-Klassen : Reader/ Writer (continued):

Bei der Nutzung der konkreten Klasse findet eine Wandlung zwischen Bytes und
Zeichen statt
 InputStreamReader (aus Reader abgeleitet):



Bytes werden aus einem InputStream gelesen und als Zeichen an die Anwendung
weitergegeben
Kodierung der Eingabebytes: Standard oder durch Namen
Beispiele von Kodierungen:
1.
"8859_1": ASCII und Umlaute (u.a.)
2.
"Unicode"
3.
"UTF8“
4.


Kodierung lesen: String getEncoding();
Konstruktoren:
1.
2.
24
…
InputStreamReader(InputStream in);
InputStreamReader(InputStream in, String encoding);
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Ein-/ Ausgabe (22)

Zeichen-Klassen : Reader/ Writer (continued):

Bei der Nutzung der konkreten Klasse findet eine Wandlung zwischen Bytes und
Zeichen statt
 OutputStreamWriter (aus Writer abgeleitet):




25
Zeichen kommen von der Anwendung und werden als Bytes in einen OutputStream
geschrieben
Kodierungen wie für InputStreamReader
Konstruktoren:
1.
OutputStreamWriter(OutputStream out);
2.
OutputStreamWriter(OutputStream out, String encoding);
Kodierung lesen: String getEncoding();
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Ein-/ Ausgabe (23)

Beispiel:
import java.io.*;
public class CopyCharacters{
public static void main(String[] args) throws IOException{
if(args.length != 2){
System.out.println("usage: java "+ "bs.CopyCharacters "
+ "<input file name> „ + "<output file name>");
return;
}
FileReader in = new FileReader(args[0]);
FileWriter out = new FileWriter(args[1]);
int c;
int chars = 0;
while((c = in.read()) != -1){
out.write(c);
chars++;
}
in.close();
out.close(); } }
26
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Dateisystem (1)

Bis jetzt wurden auf Inhalte von Dateien zugegriffen

Jetzt:
1) Bearbeiten der Attribute von Dateien
 Zugriff mit Java
2)
3)
27
Implementierung
Manipulationen, die über das Lesen und Schreiben von Datei-Inhalten
hinausgehen:
•
Datei umbenennen
•
Datei löschen
•
Inhalt eines Verzeichnisses auslesen
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Dateisystem (2)

Konzept von Dateisystemen
Permanenter („nicht-flüchtiger“) Speicher
1)
•
Speicher ist immer noch vorhanden nachdem ein Prozesse zu Ende gelaufen ist
•
Auch nach dem Herunterfahren eines Betriebssystems ist der Speicher immer noch
vorhanden
2)
Realisierung von Dateisystemen erfolgt durch Platte, Floppy, CD, Dateiserver
3)
Keine rohe Nutzung der Hardware, sondern Konzept einer Datei (Datenstrom),
identifiziert durch Name
4)
Dateisysteme gruppieren Dateien zu Verzeichnissen
28
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Dateisystem (3)

Dateinamen

In der Regel: Zeichenketten
 Für menschliche Benutzer geeignet

In manchen Systemen werden Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden
(UNIX), in Anderen nicht (DOS)

In manchen Systemen ist die Struktur des Dateinamens vorgegeben (max. 8
Zeichen, '.', max. 3 Zeichen in DOS), in Anderen nicht (Name besteht aus max.
Anzahl von ASCII-Zeichen, u.a. '.', in UNIX)
29
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Dateisystem (4)

Verzeichnisse


Aufgabe: Katalogisieren aller Dateien einer Festplatte oder einer Diskette etc…
Ein Verzeichnis kann nicht nur Dateien, sondern auch andere Verzeichnisse
enthalten
 Diese Struktur führt zu einem Dateibaum
 Verzeichnisse sind auch Dateien (in der Regel als Verzeichnisse besonders
gekennzeichnet). Sie besitzen also auch Dateinamen


30
Verzeichnisse sind anhand von Pfaden zu ermitteln:
 Pfadnamen: z. B.: "/ich/mach/dummes/Zeug“
Datei oder Verzeichnis "Zeug" in Verzeichnis "dummes" in Verzeichnis "mach"
in Verzeichnis "ich" in Wurzel- Verzeichnis
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Dateisystem (5)

Verzeichnisse (continued)

Ein Verzeichnis kann nicht nur Dateien, sondern auch andere Verzeichnisse
enthalten
 Absolute Pfadnamen beginnen vom Wurzel-Verzeichnis
 Relative Pfadnamen beginnen vom aktuellen Verzeichnis: z.B. aktuelles
Verzeichnis "/ich/mach" und relativer Pfadname "dummes/Zeug";

Spezialverzeichnisse
31

/: Wurzel

.: dieses Verzeichnis

..:Vorgänger-Verzeichnis
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Dateisystem (6)

Dateiattribut

32
Neben dem Inhalt und dem Namen gibt es weitere Attribute einer Datei (Dabei
können Inhalt und Name auch zu den Attributen gezählt werden oder auch nicht):
 Größe
 Zeit des letzten Zugriffs, des letzten Schreibens
 Besitzer
 Zugriffsrechte
 Dateityp (reguläre Datei, Verzeichnis, ...)
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Dateisystem (7)

Implementierung von Dateien

Entscheidender Aspekt
 Abspeicherung von Dateien als zusammenhängenden Menge von
Plattenblöcken (Methode 1)



Zusammenhängende Belegung des Speicherplatzes hat zwei Vorteile:
1.
2.
1.
33
Zuordnung Datei  Folge von Blöcken
Bsp: Ein 50-KB-Datei würde folglich 50 aufeinanderfolgende Blöcke auf einer Platte
mit 1 KB großen Blöcken, belegen
Einfach zu implementieren, da Lokalisierung eines Dateiblocks nur anhand der
Platenadresse des ersten Blocks und der Anzahl der Blöcke in einer Datei
Sehr effizientes Lesen der kompletten Datei (höchste Performanz), da gesamte
Datei mit einer einzigen Operation von der Platte gelesen werden kann
Nachteil: Reservierung des maximalen Platzes bei Erzeugung führt früher
oder später zu einer Fragmentierung der Platte
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Dateisystem (8)

Implementierung von Dateien (continued)

Entscheidender Aspekt
 Abspeicherung von Dateien als eine verkette Liste von Plattenblöcken
(Methode 2)


Vorteile:
1.
2.
34
jeder Block enthält Blocknr. des nächsten Blocks
1. Block und Länge kennzeichnet Inhalt einer Datei (wie bei zusammenhänge
Belegung)
Es geht kein Speicherplatz verloren durch Fragmentierung
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Dateisystem (9)

Implementierung von Dateien (continued)

35
Entscheidender Aspekt
 Abspeicherung von Dateien als eine verkette Liste von Plattenblöcken in
separatem Index (Im Hauptspeicher) (Methode 3)
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Dateisystem (10)

Implementierung von Dateien (continued)

Entscheidender Aspekt
 Abspeicherung von Dateien als eine verkette Liste von Plattenblöcken in
separatem Index (Im Hauptspeicher) (Methode 3)

Vorteile:



Nachteil:

36
1. Block kennzeichnet weiterhin Inhalt einer Datei
Einfacher wahlfreier Zugriff
Gesamter Index die ganze Zeit im Hauptspeicher, bei größeren Dateisystemen kann
dies mehrere MB groß sein
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Dateisystem (10)

Implementierung von Dateien (continued)

Entscheidender Aspekt
 Dateien folgen einer bestimmten Datenstruktur  I-Node (Methode 4)




37
Nur die Listen der gerade geöffneten Dateien müssen im Hauptspeicher sein
Aber: Für lange Dateien  Lange Liste!
Abhilfe: Indirekte Blöcke (d.h. Blöcke enthalten keine Daten, sondern weitere
Liste von Blöcken
UNIX: Liste von Blöcken in Inode (Index Node, Index-Knoten) zusammen mit
Attributen
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Dateisystem (11)

Implementierung von Dateien (continued)

Entscheidender Aspekt
 Dateien folgen einer bestimmten Datenstruktur  I-Node (Methode 4)
 Mischformen (UNIX): Blockliste
Block 0 - 9: Daten
Block 10: indirekter Block
Block 11: zweifach indirekter Block
Block 12: dreifach indirekter Block
38
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Dateisystem (12)

Bearbeiten von Dateien in Java

Klasse File (Abgeleitet von Object)
 Repräsentiert einen Dateinamen, nicht unbedingt eine Datei
 Erlaubt den Zugriff auf Dateiattribute
 Konstruktoren:
 public File(String pathname);
 public File(String parent, String child);
 public File(File parent, String child);
 Konstante: separatorChar: Trennzeichen in einem Pfadnamen ('\' für Windows
oder '/' für UNIX)

39
Methoden (siehe hierzu die Java Documentation)
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Ende
40
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