Разработка приложений в среде Linux. Второе издание - Майкл Джонсон

При разработку программы написанный код работает в режиме пользователя (user mode). Драйверы устройств и файловые системы, наоборот, работают в режиме ядра (kernel mode). В пользовательском режиме программы тщательно защищены от повреждений, вызванных их взаимодействием друг с другом или остальной частью системы. Код, работающий в режиме ядра, имеет полный доступ к компьютеру и может делать или же разрушать все, что угодно.

Драйвер, который разработан для управления и контроля аппаратного устройства, должен иметь полный доступ к нему. Устройство нужно защитить от случайных программ, чтобы они не смогли нарушить свою работу или работу друг друга, повредив само устройство. Память, с которой работает устройство, также защищена от случайных программ. Весь код, работающий в режиме ядра, существует исключительно для обслуживания кода, который работает в режиме пользователя. Системный вызов — это то, посредством чего код приложения, выполняющегося в пользовательском режиме, запрашивает службу, предоставляемую кодом, который выполняется в режиме ядра.

Возьмем, к примеру, процесс выделения памяти. Пользовательский процесс запрашивает память у защищенного кода, выполняющегося в режиме ядра, который и производит выделение физической памяти для процесса. В качестве следующего примера возьмем файловые системы, которые нуждаются в защите для поддержания целостности данных на диске (или в сети), но вашим повседневным, обычным процессам требуется считывать файлы из файловой системы.

Неприятные детали вызова через барьер пространств пользователь/ядро часто скрыты в библиотеке С. Процесс вызова через этот барьер не использует обычные вызовы функций; он использует неуклюжий интерфейс, оптимизированный по скорости и обладающий существенными ограничениями. Библиотека С скрывает большинство интерфейсов от глаз пользователя, предлагая взамен обычные функции С, которые являются оболочками для системных вызовов. Применение этих функций станет понятнее, если получить некоторое представление о том, что происходит внутри них.

9.2.1. Ограничения системных вызовов

Режим ядра защищен от влияния режима пользователя. Одна из таких защит состоит в том, что тип данных, передаваемых между режимами ядра и пользователя, ограничен, легко верифицируется и следует строгим соглашениям.

• Длина каждого аргумента, передаваемого из режима пользователя в режим ядра, практически всегда соответствует размеру слов, используемых машиной для представления указателей. Этого размера достаточно как для передачи указателей, так и длинных целых. Переменные типа char и short перед передачей расширяются до большего типа.

• Тип возвращаемого значения ограничен размером слова со знаком. Первые несколько сотен небольших отрицательных целых чисел зарезервированы в качестве кодов ошибок, и в пределах системных вызовов имеют одинаковое значение. Это значит, что системные вызовы, возвращающие указатель, не могут вернуть некоторые указатели, соответствующие адресам в верхней области доступной виртуальной памяти. К счастью, эти адреса находятся в зарезервированном пространстве и в любом случае никогда не возвращаются, потому возвращаемые слова со знаком могут быть без проблем преобразованы в указатели.

В отличие от соглашений С о вызовах, в котором структуры С могут передаваться по значению в стеке, нельзя передавать структуры по значению из пользовательского режима в режим ядра; точно также ядро не может вернуть структуру в пользовательский режим. Большие элементы данных можно передавать только по ссылке. Передавайте указатели на структуры, как всегда поступаете, когда их необходимо модифицировать.

9.2.2. Коды возврата системных вызов

Коды возврата, зарезервированные для всех системных вызовов — это универсальные коды возврата ошибок, представленные небольшими отрицательными числами. Библиотека С проверяет наличие ошибок каждый раз, когда происходит системный вызов. При возникновении ошибки библиотека помещает значение ошибки в глобальную переменную errno[15]. В большинстве случаев все, что вам необходимо при проверке ошибки — посмотреть, отрицательный ли код возврата. Коды ошибок определены в <errno.h>, и errno можно сравнить с любым номером ошибки из этого файла, после чего обработать ее специальным образом.

Переменная errno используется и в другом случае. Библиотека С предлагает три способа получения строк, предназначенных для описания возникшей ошибки.

perror()

Печатает сообщение об ошибке. Передайте в функцию строку с информацией о том, что код намеревался предпринять.

if ((file = open(DB_PATH, O_RDONLY)) < 0) {

 perror("не удается открыть файл базы данных");

}

Функция perror() выведет сообщение, описывающее возникшую ошибку, а также объяснение того, что код собирался делать:

не удается открыть файл базы данных: No such file or directory

Обычно неплохо делать свои аргументы для perror() уникальными на протяжении всей программы, в результате при получении сообщений об ошибках из perror() вы будете точно знать, откуда начинать поиск. Обратите внимание, что в строке, передаваемой perror(), нет символа новой строки. Его передавать не нужно — функция сама его выведет.

strerror()

Возвращает статически распределенную строку, описывающую ошибку с номером, передаваемым в единственном аргументе. Это можно использовать при построении, например, своей собственной версии perror().

if ((file = open(DB_PATH, O_RDONLY) ) < 0) {

 fprintf(stderr,

  "не удается открыть файл базы данных %s, %sn",

  DB_PATH, strerror(errno));

}

sys_errlist

He очень хорошая альтернатива strerror(). sys_errlist — это массив размером sysnerr указателей на статические, доступные только для чтения символьные строки, которые описывают ошибки. Попытка записи в эти строки приводит к нарушению сегментации и сбросу дампа ядра.

if ((file = open(DB_PATH, O_RDONLY)) < 0) {

 if (errno < sys_nerr) {

  fprintf(stderr,

   "не удается открыть файл базы данных %s, %sn",

   DB_PATH, sys_errlist[errno]);

 }

}

Этот массив не является ни стандартным, ни переносимым, и упоминается здесь лишь потому, что вы можете столкнуться с кодом, от него зависящим. Заменив такой код вызовом функции strerror(), вы получите существенный выигрыш.

Если вы не собираетесь использовать errno сразу же после генерации ошибки, сохраните ее копию. Любая библиотечная функция может установить errno в любое значение, поскольку в ней могут присутствовать системные вызовы, о которых вы даже не подозреваете. А некоторые библиотечные функции могут устанавливать errno даже без системных вызовов.

9.2.3. Использование системных вызовов

Интерфейс, с которым вам, как программисту, возможно, доведется работать, представляет собой набор оболочек библиотеки С для системных вызовов. В оставшейся части этой книги под системным вызовом будет подразумеваться функция оболочки С, которая используется для реализации системного вызова, а не тот неуклюжий интерфейс, который скрывает библиотека С.

Большинство, но не все, системные вызовы объявлены в <unistd.h>. Фактически файл <unistd.h> представляет собой универсальное вместилище практически для всех системных вызовов. Чтобы определить, какие включаемые файлы нужно использовать, обычно нужно обратиться к системным man-страницам. Хотя описания функций на man-страницах зачастую весьма лаконичны, там можно найти точные указания о том, какой файл должен быть включен для использования функции.

Есть одна особенность, свойственная системам Unix. Системные вызовы документированы в отдельном разделе man-страниц для библиотечных функций, и вы будете использовать библиотечные функции для доступа к системным вызовам. Там, где библиотечные функции отличаются от системных вызовов, предусмотрены отдельные man- страницы. Это не вызывало бы проблем, однако практически всегда требуется читать страницу, описывающую библиотечную функцию, номер которой больше номера страницы с описанием соответствующего системного вызова. Ввиду того, что man-страницы выводятся, начиная с меньших номеров, приходится проделывать лишнюю работу.

Простого указания номера раздела недостаточно. Системные вызовы, которые помещены в минимальные функции-оболочки из библиотеки С, не документированы как часть библиотеки, следовательно команда man 3 функция не найдет их. Для того чтобы убедиться, что вы прочли всю необходимую для вас информацию, вначале взгляните на man-страницу, не указывая раздел. Если это раздел 2 на man-странице, посмотрите, есть ли там раздел 3 с таким же именем. Если открывается раздел 1 man-страницы, как это часто случается, внимательно просмотрите разделы 2 и 3.