Текст книги "Операционная система UNIX"
Автор книги: Андрей Робачевский
Жанр:
ОС и Сети
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 39 страниц)
Функция служит для создания обычного файла или изменения его атрибутов и имеет следующий вид:
#include
int creat(const char *path, mode_t mode);
Как и в случае open(2), аргумент path определяет имя файла в файловой системе, a mode – устанавливаемые права доступа к файлу. При этом выполняется ряд правил:
□ Если идентификатор группы (GID) создаваемого файла не совпадает с эффективным идентификатором группы (EGID) или идентификатором одной из дополнительных групп процесса, бит SGID аргумента mode очищается (если он был установлен).
□ Очищаются все биты, установленные в маске процесса
□ Очищается флаг Sticky bit.
Права доступа к файлу обсуждались в главе 1. Более детальная информация приведена в разделе "Права доступа" этой главы.
Если файл уже существует, его длина сокращается до 0, а права доступа и владельцы сохраняются прежними. Вызов creat(2) эквивалентен следующему вызову функции open(2):
open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);
Функция close(2) разрывает связь между файловым дескриптором и открытым файлом, созданную функциями creat(2), open(2), dup(2), pipe(2) или fcntl(2). Функция имеет вид:
#include
int close(int fildes);
В случае успеха close(2) возвращает нулевое значение, в противном случае возвращается -1, а значение переменной errno указывает на причину неудачи.
Многие программы явно не используют close(2) при завершении выполнения. Дело в том, что функция exit(2), вызываемая явно или неявно при завершении выполнения программы, автоматически закрывает открытые файлы.
Функция dup(2) используется для дублирования существующего файлового дескриптора:
int dup(int fildes);
Файловый дескриптор fildes должен быть предварительно получен с помощью функций open(2), creat(2), dup(2), dup2(2) или pipe(2). В случае успешного завершения функции dup(2) возвращается новый файловый дескриптор, свойства которого идентичны свойствам дескриптора fildes. Оба указывают на один и тот же файл, одно и то же смещение, начиная с которого будет производиться следующая операция чтения или записи (файловый указатель), и определяют один и тот же режим работы с файлом. Правило размещения нового файлового дескриптора аналогично используемому в функции open(2).
Функция dup2(2) делает то же самое, однако позволяет указать номер файлового дескриптора, который требуется получить после дублирования:
int dup2(int fildes, int fildes2);
Файловый дескриптор, подлежащий дублированию, передается в первом аргументе (fildes), а новый дескриптор должен быть равен fildes2. Если дескриптор fildes2 уже занят, сначала выполняется функция close(fildes2).
В качестве примера использования системного вызова dup2(2) рассмотрим вариант реализации слияния потоков в командном интерпретаторе shell:
$ runme >/tmp/file1 2>&1
Фрагмент кода
...
/* Закроем ассоциацию стандартного потока вывода (1)
с файлом (терминалом) */
close(1);
/* Назначим стандартный поток вывода в файл
/tmp/file1 (fd==1) */
fd = open(«/tmp/file1», O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
/* Выполним слияние потоков */
dup2(fd, 2);
...
С файловым дескриптором связан файловый указатель, определяющий текущее смещение в файле, начиная с которого будет произведена последующая операция чтения или записи. В свою очередь каждая операция чтения или записи увеличивают значение файлового указателя на число считанных или записанных байт. При открытии файла, файловый указатель устанавливается равным 0 или, если указан флаг O_APPEND, равным размеру файла. С помощью функции lseek(2) можно установить файловый указатель на любое место файла и тем самым обеспечить прямой доступ к любой части файла. Функция имеет следующий вид:
#include
off_t lseek(int fildes, off_t offset, int whence);
Интерпретация аргумента offset зависит от аргумента whence, который может принимать следующие значения:
| SEEK_CUR | Указатель смещается на offset байт от текущего положения |
| SEEK_END | Указатель смещается на offset байт от конца файла |
| SEEK_SET | Указатель устанавливается равным offset |
В случае успеха функция возвращает положительное целое, равное текущему значению файлового указателя.
Относительно системного вызова lseek(2) необходимо сделать два замечания. Во-первых, lseek(2) не инициирует никакой операции ввода/вывода, лишь изменяя значения файлового указателя в файловой таблице ядра. Во-вторых, смещение, указанное в качестве аргумента lseek(2), может выходить за пределы файла. В этом случае, последующие операции записи приведут к увеличению размера файла и, в то же время, к образованию дыры – пространства, формально незаполненного данными. В реальности, дыры заполняются нулями, но могут в ряде случаев привести к неприятным последствиям, с причиной и описанием которых вы сможете ознакомиться в главе 4 при обсуждении внутренней структуры файла.
Функции read(2) и readv(2) позволяют считывать данные из файла, на который указывает файловый дескриптор, полученный с помощью функций open(2), creat(2), dup(2), dup2(2), pipe(2) или fcntl(2). Функции имеют следующий вид:
#include
ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);
#include
#include
ssize_t readv(int fildes, struct iovec *iov, int iovcnt);
Аргументы, передаваемые функции read(2), указывают, что следует считать nbyte байт из файла, связанного с дескриптором fildes, начиная с текущего значения файлового указателя. Считанные данные помещаются в буфер приложения, указатель на который передается в аргументе buf. После завершения операции значение файлового указателя будет увеличено на nbyte.
Функция readv(2) позволяет выполнить iovcnt последовательных операций чтения за одно обращение к readv(2). Аргумент iov указывает на массив структур, каждый элемент которого имеет вид:
struct {
void *iov_base; Указатель на начало буфера
size_t iov_len; Размер буфера
} iovec;
Функция readv(2) считывает данные из файла и последовательно размещает их в нескольких буферах, определенных массивом iov. Такой характер работы, проиллюстрированный на рис. 2.8, получил название scatter read (от scatter (англ.) – разбрасывать). Общее число считанных байт в нормальной ситуации равно сумме размеров указанных буферов.
Рис. 2.8. Чтение файла с использованием нескольких буферов
Функции write(2) и writev(2) очень похожи на функции read(2) и readv(2), но используются для записи данных в файл. Функции имеют следующий вид:
#include
ssize_t write(int fildes, void *buf, size_t nbyte);
#include
#include
ssize_t writev(int fildes, struct iovec *iov, int iovcnt);
Аргументы, передаваемые функции write(2), указывают, что следует записать nbyte байт в файл, связанный с дескриптором fildes, начиная с текущего значения файлового указателя. Данные для записи находятся в буфере приложения, указанном аргументом buf. После завершения операции значение файлового указателя будет увеличено на nbyte.
Аналогично функции readv(2), функция writev(2) позволяет выполнить iovcnt последовательных операций записи за одно обращение к writev(2).
Такая операция ввода/вывода получила название gather (собирать), а функции ввода/вывода, использующие набор буферов, – общее название scatter-gather.
Функция pipe(2) служит для создания однонаправленного (симплексного) канала (также называемого анонимным каналом) обмена данными между двумя родственными процессами. Дело в том, что только родственные процессы (например, родительский и дочерний) имеют возможность получить доступ к одному и тому же каналу. Этот аспект станет более понятным в ходе обсуждения в разделе «Создание и управление процессами» далее в этой главе. Функция имеет вид:
#include
int pipe(int fildes[2]);
Функция возвращает два файловых дескриптора в массиве fildes[], причем fildes[0] служит для чтения данных из канала, a fildes[1] – для записи данных в канал.
Каналы являются одним из способов организации межпроцессного взаимодействия и будут подробно рассмотрены в главе 3. В качестве примера использования pipe(2) можно привести возможность командного интерпретатора – создание программных каналов, рассмотренное в главе 1.
Отметим, что буферизация данных в канале стандартно осуществляется путем выделения дискового пространства в структуре файловой системы. Таким образом, чтение и запись в канал связаны с дисковым вводом/выводом, что, безусловно, сказывается на производительности этого механизма. Современные операционные системы наряду с более совершенными средствами межпроцессного взаимодействия предлагают и более эффективные механизмы каналов. Так, например, SCO UNIX (OpenServer 5.0) обеспечивает работу каналов через специальную файловую систему – HPPS (High Performance Pipe System). С помощью HPPS данные буферизуются в оперативной памяти, что существенно ускоряет операции записи и чтения.
После открытия файла и получения ссылки на него в виде файлового дескриптора процесс может производить различные файловые операции. Функция fcntl(2) позволяет процессу выполнить ряд действий с файлом, используя его дескриптор, передаваемый в качестве первого аргумента:
#include
int fcntl (int fildes, int cmd, ...);
Функция fcntl(2) выполняет действие cmd с файлом, а возможный третий аргумент зависит от конкретного действия:
| F_DUPFD | Разместить новый файловый дескриптор, значение которого больше или равно значению третьего аргумента. Новый файловый дескриптор будет указывать на тот же открытый файл, что и fildes. Действие аналогично вызову функции dup(2) или dup2(2): fddup = fcntl(fd, F_DUPFD, fildes2) |
| F_GETFD | Возвратить признак сохранения дескриптора при запуске новой программы (выполнении системного вызова exec(2)) – флаг close-on-exec (FD_CLOEXEC). Если флаг установлен, то при вызове exec(2) файл, ассоциированный с данным дескриптором, будет закрыт |
| F_SETFD | Установить флаг close-on-exec согласно значению, заданному третьим аргументом |
| F_GETFL | Возвратить режим доступа к файлу, ассоциированному с данным дескриптором. Флаги, установленные в возвращаемом значении, полностью соответствуют режимам открытия файла, задаваемым функции open(2). Их значения приведены в табл. 2.8. Рассмотрим пример: oflags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); /* Выделим биты, определяющие режим доступа */ accbits = oflags & O_ACCMODE; if (accbits == O_RDONLY) printf(«Файл открыт только для чтенияn»); else if (accbits == O_WRONLY) printf(«Файл открыт только для записиn»); else if (accbits == O_RDWR) printf(«Файл открыт для чтения и записиn»); |
| F_SETFL | Установить режим доступа к файлу согласно значению, переданному в третьем аргументе. Могут быть изменены только флаги O_APPEND, O_NONBLOCK, O_SYNC и O_ASYNC. |
| F_GETLK | Проверить существование блокирования записи файла. Блокирование записи, подлежащее проверке, описывается структурой flock, указатель на которую передается в качестве третьего аргумента. Если существующие установки не позволяют выполнить блокирование, определенное структурой flock, последняя будет возвращена с описанием текущего блокирования записи. Данная команда не устанавливает блокирование, а служит для проверки его возможности. Более подробно блокирование записей описано в главе 4, в разделе «Блокирование доступа к файлу». |
| F_SETLK | Установить блокирование записи файла. Структура flock описывает блокирование, и указатель на нее передается в качестве третьего аргумента. При невозможности блокирования fcntl(2) возвращается С ошибкой EACCESS или EAGAIN. |
| F_SETLKW | Аналогично предыдущему, но при невозможности блокирования по причине уже существующих блокировок, процесс переходит в состояние сна, ожидая, пока последние будут освобождены. Последняя буква W в названии действия означает wait (ждать). |
Стандартная библиотека ввода/вывода
Функции, которые мы только что рассмотрели представляют интерфейс ввода/вывода между приложениями и ядром операционной системы. Хотя их использование напоминает использование библиотечных функций С, по существу они представляют собой лишь «обертки» к функциям ядра UNIX, фактически выполняющим операции ввода/вывода.
Однако программисты редко используют этот интерфейс низкого уровня, предпочитая возможности, предоставляемые стандартной библиотекой ввода/вывода. Функции этой библиотеки обеспечивают буферизованный ввод/вывод и более удобный стиль программирования. Для использования функций этой библиотеки в программу должен быть включен файл заголовков
Вместо использования файлового дескриптора библиотека определяет указатель на специальную структуру данных (структура FILE), называемый потоком или файловым указателем. Стандартные потоки ввода/вывода обозначаются символическими именами stdin, stdout, stderr соответственно для потоков ввода, вывода и сообщений об ошибках. Они определены следующим образом:
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;
Связь потоков стандартной библиотеки с файловыми дескрипторами приведена в табл. 2.9.
Таблица 2.9. Стандартные потоки и их дескрипторы
| 0 | stdin | Стандартный ввод |
| 1 | stdout | Стандартный вывод |
| 2 | stderr | Сообщения об ошибках |
Таблица 2.10. Наиболее употребительные функции стандартной библиотеки ввода/вывода
| fopen(3S) | Открывает файл с указанным именем и возвращает файловый указатель, ассоциированный с данным файлом |
| fclose(3S) | Закрывает поток, освобождая буферы |
| fflush(3S) | Очищает буфер потока, открытого на запись |
| getc(3S) | Считывает символ из потока |
| putc(3S) | Записывает символ в поток |
| gets(3S) | Считывает строку из потока |
| puts(3S) | Записывает строку в поток |
| fread(3S) | Считывает указанное число байтов из потока (бинарный ввод) |
| fwrite(3S) | Записывает указанное число байтов в поток (бинарный вывод) |
| fseek(3S) | Позиционирует указатель в потоке |
| printf(3S) | Производит форматированный вывод |
| scanf(3S) | Производит форматированный ввод |
| fileno(3S) | Возвращает файловый дескриптор данного потока |
Выбор между функциями интерфейса системных вызовов и стандартной библиотеки зависит от многих факторов, в частности, степени контроля ввода/вывода, переносимости программы, простоты. Взгляните, например, на следующие эквивалентные строки программы:
write (1, «Здравствуй, Мир!n», 16);
printf(«Здравствуй, Мир!n»);
В первой строке сообщение выводится с использованием системной функции write(2), во второй – с помощью библиотечной функции printf(3S). Помимо того, что второй вариант кажется более лаконичным, отметим еще ряд особенностей. В первом варианте пришлось сделать предположение о том, что файловый дескриптор стандартного вывода равен 1, что может оказаться несправедливым для некоторых систем. Также пришлось явно указать число символов в строке, т.к. write(2) не делает никаких предположений о формате вывода, трактуя его как последовательность байтов. В отличие от wite(2), printf(3S) распознает строки, представляющие собой последовательность символов, заканчивающихся нулем. Функция printf(3S) также позволяет отформатировать выводимые данные для представления их в требуемом виде.
Но основным достоинством функций библиотеки является буферизация ввода/вывода, позволяющая минимизировать число системных вызовов read(2) и write(2). При открытии файла и создании потока функции библиотеки автоматически размещают необходимые буферы, позволяя приложению не заботиться о них.
Библиотека предоставляет три типа буферизации:
□ Полная буферизация. В этом случае операция чтения или записи завершается после того, как будет заполнен буфер ввода/вывода. Ввод/вывод для дисковых файлов, как правило, полностью буферизуется. Буфер размещается с помощью функции malloc(3C) при первом обращении к потоку для чтения или записи и заполняется системными вызовами read(2) или write(2). Это означает, что последующие вызовы getc(3S), gets(3S), putc(3S), puts(3S) и т.д. не инициируют обращений к системным функциям, а будут производить чтение или запись из буфера библиотеки. Содержимое буфера очищается (т.е. данные сохраняются на диске) автоматически, либо при вызове функции fflush(3S).
□ Построчная буферизация. В этом случае библиотека выполняет фактический ввод/вывод (т.е. производит системные вызовы read(2) или write(2)) построчно при обнаружении конца строки (символа перевода каретки). Такой тип буферизации обычно используется для ассоциированных с терминальными устройствами потоков, которыми, как правило являются стандартные потоки ввода и вывода.
□ Отсутствие буферизации. В этом случае библиотека не производит никакой буферизации, фактически являясь только программной оболочкой системных вызовов. При этом достигаются минимальные задержки операций чтения и записи, необходимые, например, при выводе сообщений об ошибках. Отсутствие буферизации характерно для стандартного потока вывода сообщений об ошибках.
Характер буферизации может быть изменен с помощью функций:
#include
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int type, size_t size);
Функция setbuf(3S) позволяет включить или отключить буферизацию для потока stream. В первом случае buf должен указывать на буфер размером BUFSIZ, во втором его значение должно быть равно NULL.
Функция setvbuf(3S) позволяет производить более тонкое управление буферизацией, явно указывая, какой ее тип мы хотим установить. Для этого используется аргумент type, который может принимать следующие значения:
_IOFBF | Полная буферизация |
_IOLBF | Построчная буферизация |
_IONBF | Отсутствие буферизации |
В случае полной или построчной буферизации аргумент size определяет размер буфера, адресованного указателем buf.
Каждый поток стандартной библиотеки представлен указателем на структуру FILE, показанную на рис. 2.9, в которой хранится указатель на буфер _base, указатель на следующий символ, подлежащий чтению или записи _ptr, число байт в буфере _cnt, указатель на файловый дескриптор _file, с которым ассоциирован данный поток, а также флаги состояния потока _flag. При создании буфера библиотека выбирает оптимальный размер для данного потока. Обычно этот размер равен значению поля st_blksize структуры stat, возвращаемой системным вызовом stat(2), рассмотренный в разделе «Метаданные файла» этой главы. Если определить оптимальный размер невозможно, например для каналов или специальных файлов устройств, выбирается стандартное значение BUFSIZ, определенное в файле
Рис. 2.9. Структуры данных потока
Связи
В метаданных каждого файла файловой системы UNIX хранится число связей, определяющее количество имен, которое имеет данный файл. Например, файлы /etc/init.d/lp (или /etc/lp), /etc/rc0.d/K201p, /etc/rc2.d/K201p и /etc/rc2.d/S801p имеют различные имена, но ссылаются на один и тот же физический файл (точнее, метаданные файла) и тем самым обеспечивают доступ к одним и тем же данным. В данном случае число связей файла равно 4. Каждый раз, когда одно из имен файла удаляется, число связей соответственно уменьшается. Когда оно достигнет нуля – данные файла будут удалены. Такой тип связи называется жесткой.
Жесткая связь создается с помощью системного вызова link(2):
#include
int link(const char *existing, const char *new);
При этом будет образована новая запись каталога с именем new и номером inode указывающим на метаданные файла existing. Также будет увеличено число связей. Этим системным вызовом, в частности, пользуется команда ln(1), рассмотренная в главе 1.
Для удаления жесткой связи используется системный вызов unlink(2):
#include
int unlink(const char *path);
Эту функцию вызывает команда rm(1) при удалении файла. При этом не обязательно будут удалены данные файла. Заметим, что системный вызов, явно удаляющий данные файла, отсутствует, поскольку у файла может существовать несколько жестких связей, часть из которых может быть недоступна процессу, вызывающему такую функцию (например, одно из имен файла может быть расположено в недоступном каталоге).
В противоположность жестким связям, которые, как отмечалось в главе являются естественным способом адресации данных файла, в UNIX применяются символические связи, адресующие не данные файла, а его имя. Например, если файл является символической связью, то в его данных хранится имя файла, данные которого косвенно адресуются.
Символическая связь позволяет косвенно адресовать другой файл файловой системы. Системный вызов symlink(2) служит для создания символической связи. Этим вызовом, кстати, пользуется команда ln -s.
#include
int symlink (const char *name, const char *synmame);
После создания символической связи, доступ к целевому файлу name может осуществляться с помощью symname. При этом, функция open(2), принимая в качестве аргумента имя символической связи, на самом деле открывает целевой файл. Такая особенность называется следованием символической связи. Не все системные вызовы обладают этим свойством. Например, системный вызов unlink(2), удаляющий запись в каталоге, действует только на саму символическую связь. В противном случае, мы не имели бы возможности удалить ее. В табл. 2.11 показано, как работают с символическими связями различные системные вызовы.
Таблица 2.11. Интерпретация символической связи различными системными вызовами
| access(2) | + | |
| chdir(2) | + | |
| chmod(2) | + | |
| chown(2) | + | |
| lchown(2) | + | |
| creat(2) | + | |
| exec(2) | + | |
| link(2) | + | |
| mkdir(2) | + | |
| mknod(2) | + | |
| open(2) | + | |
| readlink(2) | + | |
| rename(2) | + | |
| stat(2) | + | |
| lstat(2) | + | |
| unlink(2) | + |
Для чтения содержимого файла – символической связи используется системный вызов readlink(2):
#include
int readlink(const char *path, void *buf, size_t bufsiz);
Аргумент path содержит имя символической связи. В буфере buf размером bufsiz возвращается содержимое файла – символической связи.
Для иллюстрации к вышеприведенным рассуждениям приведем пример программы, которая сначала выводит содержимое символической связи, а затем – целевого файла, пользуясь в обоих случаях символическим именем:
#include
#include
#include
#include
#define BUFSZ 256
/* В качестве аргумента программа принимает имя
символической связи */
main(int argc, char *argv[]) {
char buf[BUFSZ+1];
int nread, fd;
/* Прочитаем содержимое самой символической связи */
printf(«Читаем символическую связьn»);
nread = readlink(argv[1], buf, BUFSZ);
if (nread < 0) {
perror(«readlink»);
exit(1);
}
/* readlink не завершает строку ' ' */
printf(«Символическая связь:n %sn», buf);
/* Теперь прочитаем содержимое целевого файла */
printf(«Читаем целевой файлn»);
fd = open(argv[1], O_RDONLY);
if (fd < 0) {
perror(«open»);
exit(2);
}
nread = read(fd, buf, BUFSIZ);
if (nread < 0) {
perror(«read»);
exit(3);
}
buf[nread] = ' ';
printf(«Целевой файл:n %sn», buf);
close(fd);
exit(0);
}
Перед тем как запустить программу, создадим символическую связь с файлом unix0.txt:
$ ln -s unix0.txt symlink.txt
$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 andy user 10 Jan 6 09:54 symlink.txt -> unix0.txt
-rw-r–r– 1 andy user 498 Jan 6 09:53 unix0.txt
$ a.out symlink.txt
Читаем символическую связь
Символическая связь:
unix0.txt
Читаем целевой файл
Целевой файл:
Начиная с 1975 года фирма AT&T начала предоставлять лицензии на
использование операционной системы как научно-образовательным
учреждениям, так и коммерческим организациям. Поскольку основная
часть системы поставлялась в исходных текстах, написанных на
языке С, опытным программистам не требовалось детальной
документации, чтобы разобраться в архитектуре UNIX. С ростом
популярности микропроцессоров
...
