ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2021
Просмотров: 2407
Скачиваний: 6
Для хранения копии индексного дескриптора используются буферные области системного виртуального пространства. Характеристики индексного дескриптора, перенесенные в оперативную память, помещаются в структуру так называемого виртуального дескриптора vnode (virtual node). Структура vnode включает поля индексного дескриптора файла inode, а также несколько перечисленных ниже дополнительных полей, полезных при выполнении операций с файлом.
Состояние индексного дескриптора в памяти, отражающее:
заблокирован ли файл;
ждет ли снятия блокировки с файла какой-либо процесс;
отличается ли представление характеристик файла в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого индексного дескриптора;
отличается ли представление файла в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого файла;
является ли файл точкой монтирования.
Логический номер устройства файловой системы, содержащей файл.
Номер индексного дескриптора. В дисковом индексном дескрипторе это поле отсутствует, так как номер определяется положением дескриптора относительно начала области индексных дескрипторов.
Счетчик ссылок на данную структуру vnode.
С одним и тем же файлом в какой-то период времени могут работать различные процессы, но операционная система не создает для каждого процесса отдельную копию структуры vnode, а для каждого файла, с которым в данный момент работает хотя бы один процесс, хранит ровно одну копию виртуального дескриптора. При очередном открытии файла ОС проверяет, имеется ли в системной памяти структура vnode открываемого файла (по номеру логического устройства и номеру индексного дескриптора, которые определяются при преобразовании символьного имени), и если имеется, то счетчик ссылок на нее увеличивается на единицу. При очередном закрытии этого файла счетчик ссылок уменьшается на единицу, и если он становится равным О, то буфер, хранящий данный vnode, считается свободным.
Использование единственной копии характеристик файла и некоторых характеристик файловых операций (например, признака блокировки), общих для всех работающих с файлом процессов, экономит системную память. Тем не менее существуют характеристики, индивидуальные для каждого процесса, выполняющего некоторую последовательность операций с определенным файлом. Для их хранения в UNIX используется структура типа file, которая так же, как и vnode, хранится в системной области памяти.
При каждом открытии процессом файла ОС проверяет права пользовательского процесса на выполнение запрошенной операции с файлом и, если проверка прошла успешно, создает в системной области памяти новую структуру f i I e, которая описывает как открытый файл, так и операции, которые процесс собирается производить с файлом (например, чтение).
Структура file содержит такие поля, как:
признак режима открытия (только для чтения, для чтения и записи и т. п.);
указатель на структуру vnode;
текущее смещение в файле (переменная offset) при операциях чтения/записи; О счетчик ссылок на данную структуру;
указатель на структуру, содержащую права процесса, открывшего файл (эта структура находится в дескрипторе процесса);
указатели на предыдущую и последующую структуры file, связывающие все такие структуры в двойной список.
Переменная offset, хранящаяся в структуре file, позволяет ОС запоминать текущее положение условного указателя в последовательности байт файла. При открытии файла эта переменная указывает на начальный или конечный байт файла в зависимости от заданного режима открытия. После выполнения операций чтения или записи указатель сдвигается на то количество байт, которое было прочитано или записано в результате операции. Следующая операция застает указатель в том состоянии, в котором его оставила предыдущая операция. Прикладной программист может явно управлять положением указателя с помощью системного вызова lseek, который будет рассмотрен ниже.
При каждом новом открытии какого-либо файла ОС создает новую структуру file и помещает ее в дважды связанный список (рис. 7.27). Обычно под хранение структур file в системной области отводится ограниченная область, поэтому общее количество открытых файлов всеми процессами в любой момент ограничено.
После создания структуры file операционная система помещает указатель на нее в таблицу открытых файлов процесса, которая находится в контексте процесса. Если процесс несколько раз открывает один и тот же файл, то структура file создается для каждой операции открытия. Так как контекст процесса-родителя в UNIX наследуется процессом-потомком, то потомок наследует и указатели на все открытые родителем файлы, получая возможность выполнять над ними операции.
Системный вызов open возвращает в пользовательский процесс дескриптор файла, который представляет собой номер записи в таблице открытых файлов процесса. Дескриптор файла имеет локальное значение только для того процесса, который открыл файл, для разных процессов одно и то же значение дескриптора указывает на разные операции, в общем случае над разными файлами.
После открытия файла его дескриптор используется во всех дальнейших операциях с файлом вплоть до явного закрытия файла. Таким образом, дескриптор файла является временным уникальным именем, но не файла, а определенной последовательности операций с этим файлом.
Для открытия файла /bin/prog1.ехе в режиме «только для чтения» прикладной программист может использовать следующее выражение на языке С:
fd =open("'/bin/progl.exe". 0_RDONLY):
Здесь fd — это целочисленная переменная, сохраняющая значение дескриптора открытого файла. Ее значение должно использоваться в операциях обмена данными с файлом /bin/prog1 .exe. При неудачной попытке открытия файла (нет прав для выполнения затребованной операции, неверное имя файла) переменной fd присваивается значение -1, которое является индикатором ошибки для всех системных вызовов UNIX.
Рис. 7.27. Связь процесса с открытыми файлами
Обмен данными с файлом
Для обмена данными с предварительно открытым файлом в ОС UNIX существуют системные вызовы read и write. В том случае, когда необходимо явным образом указать, с какого байта файла необходимо читать или записывать данные, используется также системный вызов lseek.
Системный вызов чтения данных из файла read имеет три аргумента:
read(fd,buffer,nbytes);
Первый аргумент fd является целочисленной переменной, имеющей значение дескриптора открытого файла. Второй аргумент buffer является указателем на область пользовательской памяти, в которую система должна поместить считанные данные. Количество байт этой области памяти задается третьим целочисленным аргументом nbytes. Функция read возвращает действительное количество считанных байт (оно может отличаться от заданного, если, например, была задана область чтения, выходящая за пределы файла) или же код ошибки -1.
Начало дисковой области, которую нужно прочитать с помощью вызова read, явно в этом системном вызове не указывается. Чтение начинается с того байта, на который указывает смещение offset в структуре file. На это смещение указывает запись с номером fd в таблице открытых файлов процесса. После выполнения вызова read смещение offset наращивается на количество прочитанных байт.
Вид системного вызова записи данных write аналогичен вызову read:
write(fd.buffer.nbytes):
Функция write записывает nbytes из буфера оперативной памяти buffer в файл, описываемый дескриптором fd. Функция write, так же как и read, возвращает вызвавшей ее программе значение реально переданных ею байт или код ошибки.
Рассмотрим пример, в котором прикладная программа работает с файлом, состоящем из записей фиксированной длины в 50 байт:
fd =open("/doc/qwery/basel2.txt". 0_RDWR):
readCfd.bufferl.50):
read(fd.buffer2.2500):
lseekCfd,150.0): write (fd.output. 300):
close(fd):
В приведенном фрагменте программы после открытия файла /doc/query/base12.txt для чтения и записи выполняется чтение первой записи файла, а затем читается область файла, включающая еще 50 записей, начиная со 2 по 51. После обработки считанных записей (эти инструкции опущены) производятся перемещение указателя смещения в файле на начало четвертой записи и запись результатов в шесть последовательных записей, начиная с четвертой. Завершается фрагмент закрытием файла с помощью системного вызова close.
Все описанные системные вызовы являются синхронными, то есть пользовательский процесс переводится в состояние ожидания до тех пор, пока операция ввода-вывода не завершится.
Описанный набор системных вызовов, появившийся в ОС UNIX еще в 70-х годах, стал стандартом де-факто для современных операционных систем. Эти традиционные системные вызовы часто в конкретных ОС дополняются оригинальными системными вызовами ввода-вывода, например операциями асинхронного типа. На основе системных вызовов ввода-вывода обычно строятся более мощные библиотечные функции ввода-вывода, составляющие прикладной интерфейс ОС.
Блокировки файлов
Блокировки файлов и отдельных записей в файлах являются средством синхронизации между работающими в кооперации процессами, пытающимися использовать один и тот же файл одновременно.
Процессы могут иметь соответствующие права доступа к файлу, но одновременное использование этих прав (в особенности права записи) может привести к некорректным результатам. Примером такой ситуации является одновременное редактирование одного и того же документа несколькими пользователями. Если доступ к файлу не управляется блокировками, то каждый пользователь, который имеет право записи в файл, работает со своей копией данных файла. Результат такого редактирования непредсказуем — он зависит от того, в какой последовательности записывали изменения в файл применяемые пользователями приложения-редакторы.
Многопользовательские операционные системы обычно поддерживают специальный системный вызов, позволяющий программисту установить и проверить блокировки на файл и его отдельные области. В UNIX такой системный вызов называется fcntl. В его аргументах указывается дескриптор файла, для которого нужно установить или проверить блокировки, тип операции (блокирование или проверка, блокирование доступа для чтения или для записи), а также область блокирования — смещение от начала файла и размер в байтах.
При проверке наличия блокировок, установленных другими процессами, вызов fcntl немедленно возвращает управление с сообщением результата. При установке блокировки можно задать два режима работы системного вызова: с переходом процесса в состояние ожидания в том случае, если блокировку установить невозможно (синхронный системный вызов), и с немедленным возвратом в такой ситуации с сообщением отрицательного результата (асинхронный вызов).
Запрошенная блокировка записи не может быть установлена в том случае, если другой процесс уже установил свою блокировку записи на тот же файл. То есть блокировка записи является исключительной. Блокировки чтения не являются исключительными и могут устанавливаться на файл в том случае, если их области действия не перекрываются. Если на какую-то область файла установлена блокировка чтения, то на эту область нельзя установить блокировку записи.
В UNIX существуют два режима действия блокировок — консультативный (advisory) и обязательный (mandatory). Основным рекомендуемым для использования режимом является консультативный. При нем операционная система не занимается блокированием операций с файлом, а только устанавливает признаки блокирования областей в структурах file, поддерживающих операции с файлами. Кооперирующиеся процессы обязательно должны проверять наличие блокировок на файл, чтобы синхронизировать свою работу. Если же блокировки установлены, но процесс не проверяет их, то операционная система не запрещает доступ процесса к файлу, когда процесс делает системные вызовы read или write.
В обязательном режиме запрет на выполнение операции с заблокированным файлом поддерживает операционная система, поэтому процесс в любом случае не получит доступа к такому файлу. Однако при работе в этом режиме операционная система тратит много усилий и времени на его поддержание, поэтому обычно он не рекомендуется.
Стандартные файлы ввода и вывода, перенаправление вывода
В ОС UNIX были введены в свое время такие понятия, как «стандартный файл ввода», «стандартный файл вывода» и «стандартный файл ошибок». Эти три уже открытых файла существуют у любого пользовательского процесса с момента его возникновения. Процесс в любое время может организовать ввод данных из стандартного файла ввода, выполнив следующий системный вызов:
read(stdio. bufer. nbytes);
Здесь stdio — предопределенное имя константы, обозначающей дескриптор стандартного файла ввода.
Аналогично, так как stdout — предопределенное имя дескриптора стандартного файла вывода, процесс может вывести данные в стандартный файл вывода, применив следующий системный вызов:
write(stout. buffer, nbytes):
За стандартным файлом ошибок закреплено имя stderr.
Фактически при создании нового процесса ОС помещает в его таблицу открытых файлов три записи: с номером 0 — для стандартного файла ввода (следовательно, stdin всегда имеет значение 0), с номером 1 — для стандартного файла вывода (stdout=l), и с номером 2 — для стандартного файла ошибок (stderr=2). Соответственно создаются и три структуры типа file, на которые указывают первые три записи таблицы открытых файлов процесса.
В начальный период существования процесса эти три структуры file связываются операционной системой с одним файлом. В качестве этого файла выступает специальный файл — терминал, с которого вошел в систему пользователь. Такое назначение стандартных файлов достаточно естественно. Прикладные программы, запускаемые пользователем в ходе сеанса работы, чаще всего выводят результаты и сообщения об ошибках на экран терминала, за которым работает пользователь, и с клавиатуры этого же терминала считывают команды и другие исходные данные.
Модель стандартных файлов ввода-вывода рассчитана в основном на алфавитно-цифровые терминалы, управление которыми хорошо описывается потоком выводимых байт, который отображается в виде строк символов на экране, а также потоком вводимых байт, порождаемым последовательными нажатиями клавиш.
Наиболее известной программой, широко использующей стандартные файлы ввода-вывода, является интерпретатор команд, называемый также оболочкой (shell) операционной системы. Интерпретатор постоянно читает вводимые пользователем с клавиатуры команды (из стандартного файла ввода) и либо выполняет их самостоятельно, с помощью своих внутренних функций (такие команды называются внутренними), либо интерпретирует команду как имя исполняемого файла на диске, который необходимо запустить на выполнение в качестве отдельного процесса (внешние команды). Сообщения интерпретатор выводит на экран терминала — стандартный файл вывода.