Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

Рисунок 5.1. Функции для работы с файловой системой и их связь с другими алгоритмами

На Рисунке 5.1 показана взаимосвязь между системными функциями и алгоритмами, описанными ранее. Системные функции классифицируются на несколько категорий, хотя некоторые из функций присутствуют более, чем в одной категории:

• Системные функции, возвращающие дескрипторы файлов для использования другими системными функциями;

• Системные функции, использующие алгоритм namei для анализа имени пути поиска;

• Системные функции, назначающие и освобождающие индекс с использованием алгоритмов ialloc и ifree;

• Системные функции, устанавливающие или изменяющие атрибуты файла;

• Системные функции, позволяющие процессу производить ввод-вывод данных с использованием алгоритмов alloc, free и алгоритмов выделения буфера;

• Системные функции, изменяющие структуру файловой системы;

• Системные функции, позволяющие процессу изменять собственное представление о структуре дерева файловой системы.

5.1 OPEN

Вызов системной функции open (открыть файл) — это первый шаг, который должен сделать процесс, чтобы обратиться к данным в файле. Синтаксис вызова функции open:

fd = open(pathname, flags, modes);

где pathname — имя файла, flags указывает режим открытия (например, для чтения или записи), а modes содержит права доступа к файлу в случае, если файл создается. Системная функция open возвращает целое число[14], именуемое пользовательским дескриптором файла. Другие операции над файлами, такие как чтение, запись, позиционирование головок чтения-записи, воспроизведение дескриптора файла, установка параметров ввода-вывода, определение статуса файла и закрытие файла, используют значение дескриптора файла, возвращаемое системной функцией open.

Ядро просматривает файловую систему в поисках файла по его имени, используя алгоритм namei (см. Рисунок 5.2). Оно проверяет права на открытие файла после того, как обнаружит копию индекса файла в памяти, и выделяет открываемому файлу запись в таблице файлов. Запись таблицы файлов содержит указатель на индекс открытого файла и поле, в котором хранится смещение в байтах от начала файла до места, откуда предполагается начинать выполнение последующих операций чтения или записи. Ядро сбрасывает это смещение в 0 во время открытия файла, имея в виду, что исходная операция чтения или записи по умолчанию будет производиться с начала файла. С другой стороны, процесс может открыть файл в режиме записи в конец, в этом случае ядро устанавливает значение смещения, равное размеру файла. Ядро выделяет запись в личной (закрытой) таблице в адресном пространстве задачи, выделенном процессу (таблица эта называется таблицей пользовательских дескрипторов файлов), и запоминает указатель на эту запись. Указателем выступает дескриптор файла, возвращаемый пользователю. Запись в таблице пользовательских файлов указывает на запись в глобальной таблице файлов.

алгоритм open

входная информация:

 имя файла

 режим открытия

 права доступа (при создании файла)

выходная информация: дескриптор файла

{

 превратить имя файла в идентификатор индекса (алгоритм namei);

 if (файл не существует или к нему не разрешен доступ) return (код ошибки);

 выделить для индекса запись в таблице файлов, инициализировать счетчик, смещение;

 выделить запись в таблице пользовательских дескрипторов файла, установить указатель на запись в таблице файлов;

 if (режим открытия подразумевает усечение файла) освободить все блоки файла (алгоритм free);

 снять блокировку (с индекса); /* индекс заблокирован выше, в алгоритме namei */

 return (пользовательский дескриптор файла);

}

Рисунок 5.2. Алгоритм открытия файла

Предположим, что процесс, открывая файл «/etc/passwd» дважды, один раз только для чтения и один раз только для записи, и однажды файл «local» для чтения и для записи[15], выполняет следующий набор операторов:

fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);

fd2 = open("local", O_RDWR);

fd3 = open("/etc/passwd", O_WRONLY);

На Рисунке 5.3 показана взаимосвязь между таблицей индексов, таблицей файлов и таблицей пользовательских дескрипторов файла. Каждый вызов функции open возвращает процессу дескриптор файла, а соответствующая запись в таблице пользовательских дескрипторов файла указывает на уникальную запись в таблице файлов ядра, пусть даже один и тот же файл ("/etc/passwd") открывается дважды. Записи в таблице файлов для всех экземпляров одного и того же открытого файла указывают на одну запись в таблице индексов, хранящихся в памяти. Процесс может обращаться к файлу «/etc/passwd» с чтением или записью, но только через дескрипторы файла, имеющие значения 3 и 5 (см. Рисунок). Ядро запоминает разрешение на чтение или запись в файл в строке таблицы файлов, выделенной во время выполнения функции open. Предположим, что второй процесс выполняет следующий набор операторов:

fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);

fd2 = open("private", O_RDONLY);

Рисунок 5.3. Структуры данных после открытия

На Рисунке 5.4 показана взаимосвязь между соответствующими структурами данных, когда оба процесса (и больше никто) имеют открытые файлы. Снова результатом каждого вызова функции open является выделение уникальной точки входа в таблице пользовательских дескрипторов файла и в таблице файлов ядра, и ядро хранит не более одной записи на каждый файл в таблице индексов, размещенных в памяти.

Запись в таблице пользовательских дескрипторов файла по умолчанию хранит смещение в файле до адреса следующей операции ввода-вывода и указывает непосредственно на точку входа в таблице индексов для файла, устраняя необходимость в отдельной таблице файлов ядра. Вышеприведенные примеры показывают взаимосвязь между записями таблицы пользовательских дескрипторов файла и записями в таблице файлов ядра типа «один к одному». Томпсон, однако, отмечает, что им была реализована таблица файлов как отдельная структура, позволяющая совместно использовать один и тот же указатель смещения нескольким пользовательским дескрипторам файла (см. [Thompson 78], стр.1943). В системных функциях dup и fork, рассматриваемых в разделах 5.13 и 7.1, при работе со структурами данных допускается такое совместное использование.

Рисунок 5.4. Структуры данных после того, как два процесса произвели открытие файлов

Первые три пользовательских дескриптора (0, 1 и 2) именуются дескрипторами файлов: стандартного ввода, стандартного вывода и стандартного файла ошибок. Процессы в системе UNIX по договоренности используют дескриптор файла стандартного ввода при чтении вводимой информации, дескриптор файла стандартного вывода при записи выводимой информации и дескриптор стандартного файла ошибок для записи сообщений об ошибках. В операционной системе нет никакого указания на то, что эти дескрипторы файлов являются специальными. Группа пользователей может условиться о том, что файловые дескрипторы, имеющие значения 4, 6 и 11, являются специальными, но более естественно начинать отсчет с 0 (как в языке Си). Принятие соглашения сразу всеми пользовательскими программами облегчит связь между ними при использовании каналов, в чем мы убедимся в дальнейшем, изучая главу 7. Обычно операторский терминал (см. главу 10) служит и в качестве стандартного ввода, и в качестве стандартного вывода и в качестве стандартного устройства вывода сообщений об ошибках.

5.2 READ

Синтаксис вызова системной функции read (читать):

number = read(fd, buffer, count)

где fd — дескриптор файла, возвращаемый функцией open, buffer — адрес структуры данных в пользовательском процессе, где будут размещаться считанные данные в случае успешного завершения выполнения функции read, count — количество байт, которые пользователю нужно прочитать, number — количество фактически прочитанных байт. На Рисунке 5.5 приведен алгоритм read, выполняющий чтение обычного файла. Ядро обращается в таблице файлов к записи, которая соответствует значению пользовательского дескриптора файла, следуя за указателем (см. Рисунок 5.3). Затем оно устанавливает значения нескольких параметров ввода-вывода в адресном пространстве процесса (Рисунок 5.6), тем самым устраняя необходимость в их передаче в качестве параметров функции. В частности, ядро указывает в качестве режима ввода-вывода «чтение», устанавливает флаг, свидетельствующий о том, что ввод-вывод направляется в адресное пространство пользователя, значение поля счетчика байтов приравнивает количеству байт, которые будут прочитаны, устанавливает адрес пользовательского буфера данных и, наконец, значение смещения (из таблицы файлов), равное смещению в байтах внутри файла до места, откуда начинается ввод-вывод. После того, как ядро установит значения параметров ввода-вывода в адресном пространстве процесса, оно обращается к индексу, используя указатель из таблицы файлов, и блокирует его прежде, чем начать чтение из файла.