Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой. В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу.

Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла.

Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.

На физическом уровне файловая система определяет номер физического блока, который содержит требуемую логическую запись, и смещение логической записи в физическом блоке. Для решения этой задачи используются результаты работы логического уровня - смещение логической записи в файле, адрес файла на внешнем устройстве, а также сведения о физической организации файла, включая размер блока.

После определения номера физического блока, файловая система обращается к системе ввода-вывода для выполнения операции обмена с внешним устройством. В ответ на этот запрос в буфер файловой системы будет передан нужный блок, в котором на основании полученного при работе физического уровня смещения выбирается требуемая логическая запись.

1.4.7 Современные архитектуры файловых систем

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. Новая файловая система имеет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем. Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем файловых систем.

Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова. В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова. Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше - в измененном или в неизмененном виде - на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

1.4.8 Системные вызовы операций ввода-вывода

Системные вызовы, связанные с проведением операций ввода-вывода, наиболее часто используются в операционной системе UNIX. Ввод-вывод в ОС UNIX является крайне простой операцией и налагает на пользователя минимум ограничений.

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ ОРЕN

Системный вызов ореn (открыть файл) имеет следующий формат:

#include <sys/file.h>

char *name;

int flags, mode;

open(name, flags, mode)

Системный вызов open открывает файл с именем name для чтения и/или записи. Режим открытия файла определяется значением параметра flags. Это значение может быть задано как результат логического сложения следующих признаков (в любой комбинации):

0_RDONLY - открыть только для чтения.

0_WRONLY -открыть только для записи.

0_RDWR - открыть для чтения и записи.

0_NDELAY - не блокировать при открытии. Если операция открытия задерживается по каким-либо причинам, например, при отсутствии готовности линии связи, процесс не приостанавливается. Возвращается код ошибки.

0_АРРЕND - открыть для дозаписи. Обычно, при открытии файла, указатель текущей позиции чтения/записи устанавливается на его начало, но, если задан режим 0_АРРЕND, этот указатель устанавливается на конец файла.

0_СRЕАТ - создать файл, если он не существует.

0_TRUNC - сократить размер файла. В режиме 0_ТRUNC, если указанный файл существует, его размер усекается до нуля.

0_ЕХСL - выдавать ошибку при попытке создания существующего файла. (Этот признак используется в сочетании с признаком 0_СRЕАТ). Режим может применяться для организации простого механизма блокировки.

В случае успешного завершения вызова Ореn, возвращается дескриптор открытого файла, иначе - значение -1 и в переменную еrrnо записывается код ошибки.

При неудачном завершении, переменная еrrnо может принимать следующие значения:

[ЕNOTDIR] - указанное имя, содержит компоненту, которая^ не является справочником;

[ЕNOENT] - указанный файл не существует и режим 0_СRЕАТ не был определен;

[ЕРЕКМ] - указанное имя содержит символ, отсутствующий в коде АSCП*);

[ЕLООР] - число косвенных ссылок в указанном имени превышает максимально допустимое значение;

[ЕROFS] - указанный файл содержится в файловой системе закрытой по записи и не может быть модифицирован;

[ЕTXTBSY] - попытка открыть на запись файл, содержащий загрузочный модуль выполняющейся реентерабельной программы;

[ЕАССЕS] - режим доступа указанного файла не соответствует

запросу;

[ЕFAULТ] - адрес параметра системного вызова выходит за границы адресного пространства процесса;

[ЕISDIR] Попытка открыть на запись справочник;

[ЕМFILЕ] - переполнена таблица дескрипторов открытых файлов процесса;

[ЕNXIO] - указанный файл является внешним устройством, которое в данный момент не готово к работе;

Примечание. В ранних версиях операционной системы Unix (Unix 6, Unix 7) системный вызов oреn имел следующий формат:

сhar *name;

int flags;

int ореn(name, flags)

Файл с именем name должен существовать к моменту его открытия. Режим открытия файла flags может принимать следующие значения:

0 - файл открывается для чтения;

1 - файл открывается для записи;

2 - файл открывается для чтения и записи.

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ СRЕАT

Системный вызов сrеаt (создать файл) имеет следующий формат:

сhar *name;

int mode;

сreat(name,mode)

Функция сгеаt создает новый (или подготавливает к повторной записи уже существующий) файл с именем name. Если файл еще не существует, значение параметра mode используется для формирования режимов доступа создаваемого файла, при этом учитывается значение маски режимов процесса. Значение параметра mode составляется по правилам, приведенным в описание системного вызова chmod. Если указанный файл существует, то его владелец и режим доступа остаются прежними, а файл усекается до нулевой длины. Кроме того, файл открывается для записи и возвращается его дескриптор. При неудачном завершении, операции сгеаt возвращается значение -1, в остальных случаях возвращается дескриптор открытого файла (целое положительное число). После неудачного завершения системного вызова сгеаt переменная еrrnо может принимать следующие значения:

[ЕNOTDIR] - указанное имя содержит компоненту, которая не является справочником;

[ЕNOENТ] - задано слишком длинное или пустое имя файла, или указанный файл не существует или какой-либо из справочников, входящих в имя файла, не доступен для просмотра;

[ЕРЕКМ] - указанное имя содержит символ, отсутствующий в коде АSСП;

[ELООР] - число косвенных ссылок в указанном имени превышает максимально допустимое значение;

[ЕROFS] - попытка создания файла в файловой системе, закрытой на запись;

[ЕТХТВSУ] - попытка сократить длину файла, содержащего загрузочный модуль реентерабельной программы (разделяемый текстовый сегмент), которая в настоящей момент выполняется;

[ЕАССЕS] - режим доступа указанного файла не соответствует запросу;

[ЕFAULТ] - адреса аргументов системного вызова выходят за границы памяти, доступной данному процессу;

[ЕISDIR] - указанное имя файла является именем справочника;

[ЕМFILЕ] - переполнилась таблица открытых файлов процесса;

[ЕNXIO] - указано имя специального файла, для которого нет соответствующего устройства.

Параметр mode задается произвольно, в нем не обязательно должно быть разрешение на запись. Эта возможность используется программами, которые работают с временными файлами с фиксированными именами. Создание производится с режимом, запрещающим запись. Затем, если другая программа пытается выполнить вызов сгеаt, возвращается ошибка и программе становится известно, что в данный момент это имя использовать нельзя. Все действия, перечисленные для вызова сгеаtе, можно выполнить с помощью системного вызова ореn. Вызов сгеаtе оставлен для совместимости с ранними версиями ОС Unix.

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ READ

Системеный вызов геаd (чтение файла) имеет следующий формат:

char *buf;

int fd, nbytes;

read (fd, buf, nbytes)

Системный вызов read обеспечивает считывание nbytes данных в массив buf из файла с дескриптором fd. Информация читается из файла по текущему указателю позиции чтения/записи. После завершения пересылки данных значение указателя увеличивается на число считанных байт. Для некоторых файлов значение указателя позиции чтения/записи не имеет смысла (например, для терминала), тем не менее, данные передаются. При успешном завершении вызова, возвращается число считанных байт, в случае ошибки - значение -1, при достижении конца файла в процессе чтения - число 0.

При возникновении ошибки чтения, переменная еrrnо может принимать следующие значения:

[ЕВАDF] - указанный дескриптор не является дескриптором файла, открытого для чтения;

[ЕFAULТ] - адрес параметра системного вызова не входит в адресное пространство процесса;

[ЕINTR] - чтение с медленного устройства прервано до передачи данных.

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ WRITE

Системный вызов write (запись в файл) имеет следующий формат:

char *buf;

int fd, nbytes;

write (fd, buf, nbytes)

Системный вызов write записывает nbytes данных из массива buf в файл с дескриптором fd. Информация записывается в файл по текущему указателю позиции чтения/записи. После завершения пересылки данных, значение указателя увеличивается на число записанных байт.'Для некоторых файлов значение указателя позиции чтения/записи не имеет смысла, (например, для терминала), тем не менее данные передаются.

Если статус файла, в который записывается информация, содержит признак set-UID и процесс работает в непривилегированном режиме, данный признак удаляется (в целях защиты информации).

При успешном завершении вызова возвращается число записанных байт, в случае ошибки - значение -1.

При возникновении ошибки, переменная еrrnо может принимать следующие значения:

[ЕВАDF] - указанный дескриптор не является дескриптором файла, открытого для записи;

[ЕРIРЕ] - попытка записи в программный канал, который никто не читает;

[ЕРIРЕ] - запись в файл типа "гнездо" в режиме S0СК_SТRЕАМ, при отсутствии соединения;

[ЕFВIG] - при записи в файл превышается допустимый размер файла;

[ЕFAULТ] - адрес параметра системного вызова не входит в адресное пространство процесса.

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ СLOSE

Системный вызов сlose (закрыть файл) имеет следующий формат:

int fd; аns;

аns = сlоsе (fd)

Системный вызов сlosе удаляет дескриптор fd из таблицы дескрипторов открытых файлов процесса. Если удаленный дескриптор был последним ссылающимся на данный файл, то весь контекст работы с файлом теряется. Для обычного файла это указатель позиции чтения/записи и режим блокировки. Хотя, при завершении процесса, все открытые им файлы автоматически закрываются, число одновременно открытых файлов ограничено, поэтому данный вызов может оказаться необходимым для программ, работающих с большим количеством файлов.

При порождении нового процесса (см описание вызова fork) все его дескрипторы указывают на те же объекты, что и дескрипторы процесса-предка. После выполнения вызова ехесvе в порожденном процессе, новая программа также наследует все активные дескрипторы. Для того, чтобы сделать недоступными новой программе уже открытые файлы, соответствующие дескрипторы можно переопределить с помощью dup2 или удалить с помощью системного вызова unlink. Однако бывают ситуации, в которых уже открытые файлы могут потребоваться при неудачном завершении системного вызова execvе. В таких случаях, применение вызова fcntl обеспечивает закрытие определенных файлов после успешного старта новой программы.

В случае успешного завершения, системный вызов с1оsе возвращает значение 0, иначе - значение -1 и код ошибки в переменной еrrnо.

Код ошибки:

[ЕВАDF] - указанный дескриптор не является дескриптором открытого файла.

Ниже приведен пример программы копирования файла в файл, которая иллюстрирует использование описанных выше системных вызовов. Первый параметр содержит имя существующего файла, второй параметр -имя нового файла.

#include <sys/file.h>

##include <stdio.h>

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{

int fd1, fd2;

int nbytes, mode;

char buf[BUFSIZ];

if (argc<3) {

fprintf (stderr, “%s: Неправильное количество параметров\n”, argv[0]);

exit(1);

}

/* Открываем первый файл для чтения */

if (fd1 = open(argv[1], 0_RDONLY)<0) {

fprintf (stderr, “Не могу открыть файл%s\n”, argv[1]);

exit (1); }

/* Создаем новый файл для записи */

if (fd2 = open(argv[2], 0_WRONLY | O_CREAT, mode)<0)

{ fprintf (stderr, “Не могу создать файл%s\n”, argv[2]);

exit (1);

}

/*Считываем BUFSIZ байт в массив buf */

while(nbytes = read(fd1, buf, BUFSIZ)<0) {

/* Записываем во второй файл из массива buf nbytes байт */

if (write(fd2, buf, nbytes)<0) {

fprintf (stderr, “Ошибка записи \n”); break;

} }

if(nbytes<0) fprintf (stderr, “Oшибка чтения\n”);

/* Закрываем оба файла */

close (fd1);

close (fd2);

exit(0);

}

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ LSЕЕK

Системный вызов lsееk (установка указателя чтения/записи) имеет следующий формат:

#define L_SЕТ 0 /*установка */

# define L_INCR 1 /* смещение */

# define L_ХТND 2 /*увеличение размера файла*/

long lseek (fd, offset, whence)

int fd, whence;

long offset;

Системный вызов lsееk изменяет значение указателя позиции чтения/записи дескриптора fd следующим образом: если значение параметра whence равно L_SЕТ, то указателю присваивается значение параметра, если значение параметра whence равно L_INCR, значение указателя увеличивается.на значение offset, если значение параметра whence равно L_XTND, то указателю присваивается значение (offset + fsize), где fsize- размер файла. Следует отметить, что если установить указатель текущей позиции за конец файла, а затем записать что-либо, в файле получается промежуток, который физически не занимает места, а при чтении дает нули.

В случае успешного завершения, вызов lseek возвращает значение указателя текущей позиции чтения/записи (целое положительное число), определяющее смещение от начала файла (в байтах). При возникновении ошибки, возвращается значение -1 и код ошибки в переменной еrrnо, которая может принимать следующие значения:

[ЕВАDF] - некорректный дескриптор файла;

[ЕSРIРЕ] - дескриптор относится не к файлу, а к программному каналу или файлу типа "гнездо";

[ЕINVAL] - недопустимое значение параметра.

Ниже приведен пример функций, позволяющих организовывать файл прямого доступа. Этот файл состоит из записей, которые характеризуются смещением относительно начала файла и его длиной (в байтах).

#define L_SET 0

/* Поместить запись в файл */

putrecord (fd, rec, pos, size)

int fd; /* дескриптор открытого файла */

char *rес; /* содержимое записи */

long роs; /* положение в файле */

unsigned size; /* размер записи */

{

if (lseek (fd, pos, L_SET)<0) return (-1);

write (fd, rec,size);

return (0);

}

/* Извлечь запись иэ файла */

char *getrecord (fd, rec, pos, size)

int fd;

char *rec;

long pos;

unsigned size;

{ if (lseek (fd, pos, L_SET)<0) return ((char *)0);

read (fd, rec, size);

return (rec); }

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ UMASK

Системный вызов umask (установка маски режима доступа процесса) имеет следующий формат:

int oldmask, newmask;

oldmask =umask (newmask)

Системный вызов umask устанавливает текущему процессу маску режима доступа, которая используется при создании файлов. В качестве этой маски используются младшие 9 бит значения параметра newmask. При создании нового файла его режим доступа получается путем логического умножения значения маски и значения соответствующего параметра системного вызова (сrеаt, mknod, oреn). Например, если было указано значение 022, то все создаваемые файлы будут открыты по записи только для владельца. Значение маски режимов доступа наследуется всеми потомками данного процесса. Данные системный вызов возвращает прежнее значение маски.

СИСТЕМНЫЕ ВЫЗОВЫ DUP И DUP2

Системные вызовы dup и dup2 (дублировать дескриптор открытого файла) имеют форматы:

int old_fd;

int dup (old_fd);

int new_fd, old_fd;

int dup2 (old_fd, new_fd)

Вызов dup возвращает дескриптор файла new_fd, который является синонимом дескриптора old_fd. В качестве дескриптора old_fd может использоваться положительное целое число. Значение дескриптора не может превышать числа элементов таблицы отрытых файлов. По сути, в качестве нового дескриптора выдается номер первого свободного элемента в таблице открытых файлов. Старый и новый дескрипторы файлов имеют общий указатель позиции чтения/записи.

Системные вызовы read, write и lseek изменяют значение указателя позиции чтения/записи независимо от того, какой из дескрипторов использовался. Для получения "независимого" дескриптора необходимо заново открыть' файл с помощью вызова open.

Во второй из приведенных форм системного вызова, значение нового дескриптора задается явно. Если данный дескриптор ухе содержит ссылку на какой-либо открытый файл, этот файл закрывается посредством функции с1оsе.

Если дескриптор файла задан с ошибкой, или уже открыто слишком много файлов, возвращается значение -1. При неудачном завершении, переменная еггnо может принимать следующие значения:

[ЕВАDF] - некорректное значение параметров;

[ЕМFILE] - переполнена таблица открытых файлов процесса.

Системный вызов dup 2 в основном используется для переназначения стандартного ввода-вывода. Ниже приведен пример программы, которая просматривает текущий справочник, а результат выводит в файл, указанный в командной строке.

# include <stdio.h>

main (argc, argv)

char *argv[ ];

{

int fd;

extern int errno;

if (arg<2)

{

fprintf (stderr, “No file\n”);

exit (1);

}

/* Создаем файл с указанным именем */

if (fd=creat(arg[1], 0777)<0)

{

fprintf (stderr, “Cannot creat file %s\n, argv [1]);

exit (1);

}

/* Порождаем новый процесс */

switch (fork ())

{

case -1: /* ошибка */

fprintf (stderr, “Fork error\n”);

exit (1);

case 0: /* процесс сын */

close (1); /* Закрываем стандартный вывод */

dup (fd); /* Дублируем дескриптор fd */

close (fd); /* Закрываем дескриптор fd*/

/* Теперь дескриптор 1 указывает на созданный ранее файл. Запускаем команду ls без аргументов, т.е. просматриваем текущий справочник. Результат будет выводиться не на экран дисплея, а в файл */

execl (“/bin/ls”, “ls”, 0);

perror (“Exec”); /* Если ошибка */

break;

default: /* процесс отец */

wait (0); /* ждем завершения потомка */

close (fd);

}

exit (0);

}

СИСТЕМНЫЙ ВЫЗОВ PIPE

Системный вызов pipe (создание программного канала) имеет следующий формат:

int fd [2];

pipe (fd)

Системный вызов рiре реализует механизм ввода-вывода, называемый программным каналом ("рiре").

Возвращаемые по завершению этого вызова дескрипторы файлов можно использовать в операциях чтения и записи данных. Для записи по программному каналу используется дескриптор fd[1]. Прежде, чем записывающий процесс приостановится, в буфер загружается до 4096 байтов данных. Эти данные могут быть считаны с использованием дескриптора fd[0]. Предполагается, что после создания программного канала, два (или более) взаимодействующих процесса, создаваемых последующими вызовами fork, будут обмениваться данными по программному каналу с помощью системных вызовов геаd и write.

Синтаксис языков управления заданиями (SН и СSН) поддерживает формирование одномерного массива процессов, соединенных программными каналами. Организованное таким образом взаимодействие процессов называется конвейером команд.

При попытке записи по программному каналу, который никто не читает, записывающий процесс получает сигнал SIGPIPE. При чтении по программному каналу, в который уже не производится запись, выдается признак конца файла.

В случае успешного завершения, системный вызов рiре возвращает значение 0, иначе - значение -1 и код ошибки в переменной еrrnо. Если в цикле работы конвейера команд по какому-нибудь программному каналу будет произведена попытка считать более 4096 байтов, произойдет взаимная блокировка процессов.

Приведенная ниже программа иллюстрирует применение системного вызова pipe.

# include <stdio.h>

main (argc, argv)

char *argv[ ];

{

int fd [2], pid, status;

if (argc>1) arg=argv[1];

if (pipe (fd)<0)

{

/* Создание программного канала */

fprintf (stderr, “Pipe error\n”);

exit (1);

}

if (pid=fork()<0)

{

/* Порождение нового процесса */

fprintf (stderr, “Fork error\n”);

exit(1);

}

if (pid>0) {

/* Родительский процесс */

/* Перенаправление стандартного ввода в программный канал */

close (fd[0]);

close (1);

dup (fd[1]);

execl(“/bin/ls”, “ls”, “\”, 0); /* Запуск команды ls */

}

}

Контрольные вопросы к четвертой главе

Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступит прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Для решения проблем ввода-вывода целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя:

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, проверку, работает ли мотор, находится ли головка над нужным цилиндром. После передачи команды контроллеру драйвер должен решить, блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время, как при печати некоторого блока данных, то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.

Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются: