Текст книги "Операционная система UNIX"

Автор книги: Андрей Робачевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 39 страниц)

Интерфейс доступа низкого уровня

Символьные драйверы обеспечивают доступ не только к символьным устройствам, например, к адаптеру последовательного или параллельного портов, манипулятору «мышь», монитору или терминалам. Часть символьных драйверов служит в качестве интерфейса доступа низкого уровня к блочным устройствам, таким как диски или накопители на магнитных лентах.

Большинство таких драйверов отличаются от соответствующих им драйверов блочных устройств характером выполнения операций ввода/вывода. В то время как драйверы блочных устройств производят обмен данными с буферным кэшем, драйверы доступа низкого уровня обеспечивают обмен данных непосредственно с адресным пространством процесса. Отсутствие посредника в виде буферного кэша устраняет необходимость в совершении дополнительных операций копирования (драйвер – буферный кэш – буфер процесса), но в то же время лишает процесс услуг кэширования данных, предоставляемых операционной системой.

Интерфейс доступа низкого уровня используется многими системными утилитами обслуживания файловой системы, например, fsck(1M), а также рядом приложений, работающих с накопителями на магнитной ленте, например tar(1) или cpio(1). Этот интерфейс используется некоторыми приложениями, например СУБД, которые самостоятельно обеспечивают оптимизированные механизмы кэширования данных на уровне задачи.

Поскольку драйверы низкого уровня не используют буферный кэш, они самостоятельно обеспечивают необходимые буферы для совершения операции ввода/вывода. На рис. 5.8 показаны отличия в характере выполнения операции ввода/вывода с блочными устройствами в случаях, когда запрос формируется при участии буферного кэша (драйверы блочных устройств), и когда манипуляция буфером производится драйвером самостоятельно (драйверы низкого уровня).

Рис. 5.8. Различные типы доступа к блочным устройствам

Буферизация

Очевидно, что побайтная передача данных между драйвером символьного устройства и прикладным процессом весьма неэффективна. При таком режиме работы байт должен быть сначала скопирован в адресное пространство драйвера, затем некоторое время должно пройти, прежде чем драйвер сможет передать этот символ физическому устройству. Если при этом устройство оказывается занятым, процесс должен ожидать завершения предыдущей операции, что, скорее всего, вынудит его перейти в состояние сна и приведет к переключению контекста.

Существует несколько способов преодолеть данную ситуацию, но все они предполагают обеспечение некоторой буферизации данных драйвером устройства. Первый способ заключается в использовании прерываний, когда при поступлении на устройство следующего символа, генерируется аппаратное прерывание, которое обрабатывается функцией xxintr() драйвера независимо от функции xxwrite(). Функция обработки прерывания записывает данные в буфер, которые затем считываются функцией xxwrite().

Если устройство не поддерживает прерываний, их поступление можно сэмулировать с помощью функции xxpoll() драйвера устройства, которая вызывается ядром через определенные промежутки времени (обычно каждый сигнал таймера). Обычно функция xxpoll(), в свою очередь, вызывает функцию xxintr(), скажем, на каждый десятый сигнал таймера, обеспечивая тем самым независимое считывание и буферизацию данных.

Буферизация данных для символьных устройств осуществляется с помощью специальных структур данных, называемых clist. Каждая структура clist имеет следующие поля:

int           c_cc;

struct cblock *с_cf;

struct cblock *c_cl;

Поле с_cc содержит число символов в буфере cblock. Поля c_cf и c_cl указывают, соответственно, на первый и последний элементы cblock, организованные в виде связанного списка и фактически обеспечивающие буферы хранения данных. Каждая структура cblock может хранить несколько символов. Когда буфер хранения заполняется, ядро автоматически выделяет новую структуру cblock и помещает ее в связанный список. Поля структуры cblock и их использование приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Буферизация данных с помощью clist

Пример буферизации с использованием структуры clist в драйвере терминала показан на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Пример использования буферов clist в драйвере терминала

Архитектура терминального доступа

Алфавитно-цифровой терминал – последовательное устройство, и операционная система производит обмен данными с терминалом через последовательный интерфейс, называемый терминальной линией. С каждой терминальной линией в UNIX ассоциирован специальный файл символьного устройства /dev/ttyxx.[55]55
  В зависимости от версии UNIX вместо символов xx в имени файла терминала присутствует идентификатор, позволяющий поставить в соответствии специальному файлу конкретную терминальную линию. Например, в SCO UNIX виртуальные экраны системного монитора имеют имена /dev/tty01, /dev/tty02 и т.д.


[Закрыть]

Терминальные драйверы выполняют ту же функцию, что и остальные драйверы: управление передачей данных от/на терминалы. Однако терминалы имеют одну особенность, связанную с тем, что они обеспечивают интерфейс пользователя с системой. Обеспечивая интерактивное использование системы UNIX, терминальные драйверы имеют свой внутренний интерфейс с модулями, интерпретирующими ввод и вывод строк. Модуль, отвечающий за такую обработку, называется дисциплиной линии (line discipline).

Существует два режима терминального ввода/вывода:

1. Канонический режим. В этом режиме ввод с терминала обрабатывается в виде законченных строк.

2. Неканонический режим, при котором ввод не интерпретируется.

В каноническом режиме интерпретаторы строк преобразуют неструктурированные последовательности данных, введенные с клавиатуры, в каноническую форму (то есть в форму, соответствующую тому, что пользователь имел в виду на самом деле) прежде, чем послать эти данные принимающему процессу. Например, программисты работают на клавиатуре терминала довольно быстро, но иногда допускают ошибки. На этот случай имеется клавиша стирания, и пользователь имеет возможность удалять часть введенной строки и вводить коррективы. Драйвер терминала получает всю введенную последовательность, включая и символы стирания. В каноническом режиме модуль дисциплины линии буферизует информацию в строку (набор символов, заканчивающийся символом возврата каретки) и стирает символы в буфере, прежде чем переслать исправленную последовательность считывающему процессу. В таком режиме, например, работает командный интерпретатор shell.

В режиме без обработки строковый интерфейс передает данные между процессами и терминалом без каких-либо преобразований. Например, текстовый редактор работает с драйвером в неканоническом режиме, благодаря чему любой символ, введенный пользователем интерпретируется самим процессом.

В функции модуля дисциплины линии входят:

1. Построчный разбор введенных последовательностей.

2. Обработка символов стирания.

3. Обработка символов удаления, отменяющих всех предыдущих символов.

4. Отображение символов, полученных терминалом.

5. Расширение выходных данных, например, преобразование символов табуляции в последовательности пробелов.

6. Предоставление возможности не обрабатывать специальные символы, такие как символы стирания, удаления и возврата каретки.

Существует дополнительная возможность обработки данных, получаемых и передаваемых устройству – отображение вводимых и выводимых символов в символы, определенные таблицей отображения. Данную возможность поддерживает утилита mapchan.

Псевдотерминалы

Псевдотерминалы являются специальным устройством, эмулирующим стандартную терминальную линию. Псевдотерминалы напоминают каналы как средство межпроцессного взаимодействия, позволяющее двум процессам обмениваться данными. Однако в отличие от каналов, псевдотерминалы обеспечивают дополнительную функциональность, специфичную для терминальных линий. Схематически архитектура псевдотерминала представлена на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Взаимодействие процессов с помощью псевдотерминала

Ярким примером использования псевдотерминалов является регистрация в системе по сети с использованием серверов удаленного доступа rlogin(1) или telnet(1), или использование графического эмулятора терминала xterm в системе X Window System. Когда пользователь регистрируется в системе подобным образом, псевдотерминал эмулирует обычную терминальную линию, поэтому пользователь не видит различия между удаленной и локальной работой с помощью терминала, подключенного по последовательной линии. Например, пользователь может установить различные режимы обработки и использовать соответствующие комбинации клавиш для генерации сигналов, как он это делает в случае обычного терминала.

Псевдотерминал по существу представляет собой два отдельных драйвера. Один из них выглядит как обычный терминальный драйвер и носит название подчиненного устройства (slave). Второй драйвер называется основным (master).

Поскольку подчиненное устройство имеет все характеристики терминала, процесс может связать свои стандартные потоки ввода, вывода и вывода ошибок с этим устройством. Однако в отличие от обычного терминала, в случае которого запись процесса приводит к отображению данных на физическом устройстве, а ввод данных пользователем с клавиатуры может быть получен чтением терминальной линии, все данные, записанные в подчиненное устройство, передаются основному и наоборот – почти так, как работает канал. Однако модуль дисциплины линии позволяет обеспечить дополнительные возможности этого канала, которые могут потребоваться некоторым приложениям, например, командному интерпретатору shell.

В качестве иллюстрации использования псевдотерминала, рассмотрим схему работы в режиме командной строки пользователя, находящегося на некоторой удаленной системе в сети.

Пользователь удаленной системы запускает программу удаленного доступа rlogin(1), которая формирует запрос и передает его по сети на требуемый компьютер. Там этот запрос доставляется серверу удаленного доступа rlogind(1), который (после надлежащей проверки) запускает программу login(1). При этом стандартные потоки ввода, вывода и вывода ошибок программы login(1) связываются не с терминальным файлом, как в случае входа в систему с помощью сервера getty(1M), а с подчиненным устройством псевдотерминала. Основное же устройство оказывается связанным с сервером rlogind(1). Программа login(1) запрашивает имя пользователя и его пароль точно так же, как она это делает при входе через getty(1M). Более того, login(1) и «не представляет», что на самом деле работает с эмулятором терминала, а не с традиционной терминальной линией. Весь ввод login(1) поступает серверу rlogind(1) и затем передается по сети клиентской части rlogin(1) на удаленном компьютере. Далее работа ничем не отличается от работы локального пользователя, подключенного к системе с помощью обыкновенного терминала или консоли. Если имя пользователя и пароль были введены правильно, программа login(1) запустит требуемый командный интерпретатор (login shell), который также не заметит подмены. Действительно, по всем характеристикам терминал будет неотличим от традиционной последовательной линии, включая различные установки и генерацию сигналов при нажатии определенных клавиш клавиатуры. Следует, правда, оговориться, что поскольку псевдотерминал не является «полноценным» терминальным устройством, часть установок для него не имеют смысла (например, скорость передачи, четность и т.д.) и просто игнорируются.

На рис. 5.12 приведена схема работы удаленного пользователя в системе с использованием псевдотерминала.

Рис. 5.12. Архитектура удаленного доступа с использованием псевдотерминала

Подсистема STREAMS

Архитектура подсистемы потокового ввода/вывода STREAMS впервые была описана в статье Ритчи «Потоковая система ввода/вывода» (Ritchie, D.M., «A Stream Input-Output System», AT&T Bell Laboratories Technical Journal, Vol. 63, No. 8, Oct. 1984) в 1984 году. Двумя годами позднее эта система была реализована в коммерческой версии UNIX SVR3.

Поводом для создания новой архитектуры ввода/вывода послужили несколько обстоятельств.

Традиционная система ввода/вывода, ориентированная на посимвольную передачу данных и рассмотренная ранее в этой главе, была изначально предназначена для работы с ограниченным числом низкоскоростных асинхронных терминальных устройств. Операционная система взаимодействует с такими устройствами (через точки входа в драйвер) на достаточно высоком уровне, возлагая основную обработку данных на драйвер. При этом только часть кода драйвера аппаратно зависима. Остальная обработка может являться однотипной для широкого спектра периферийного оборудования. По мере роста числа поддерживаемых операционной системой устройств использование стандартной архитектуры подсистемы ввода/вывода приводило к существенным накладным расходам, в частности, к неоправданному дублированию кода в ядре UNIX.

Другой побудительной причиной для разработки новой подсистемы ввода/вывода явилось отсутствие стандартного механизма буферизации данных для символьных устройств. По мере увеличения скоростей передачи, посимвольная обработка и передача стала неэффективной. Поэтому был разработан ряд подходов для обеспечения буферизации, например использование механизма, основанного на структуре clist, рассмотренного нами ранее. Однако такие схемы, по-прежнему обладая невысокой производительностью, по существу возлагают буферизацию данных на драйвер, что приводит к неэффективному распределению памяти.

Наконец, необходимость поддержки сетевых протоколов, большинство из которых имеют уровневую организацию, требует соответствующей архитектуры подсистемы ввода/вывода. Передача сетевых данных производится в виде пакетов или сообщений, при этом каждый уровень сетевого протокола производит определенную обработку и передает их другому уровню. Каждый уровень имеет стандартные интерфейсы взаимодействия с другими (верхним и нижним уровнями) и при этом может работать с различными протоколами верхнего и нижнего уровней. Например, протокол IP (уровень 3 модели OSI)[56]56
  Модель OSI иерархии сетевых протоколов, предложенная Международной организацией по стандартам (ISO), включает определение функциональности для 7 уровней. Различные семейства протоколов, например TCP/IP или SNA, имеют то или иное отображение на эту модель. Эти вопросы рассмотрены в главе 6.


[Закрыть] может поддерживать работу нескольких протоколов верхнего уровня: TCP и UDP. На нижнем уровне протокол IP также взаимодействует с несколькими протоколами, обеспечивая передачу данных через различные сетевые интерфейсы (например, Ethernet, Token Ring или последовательный канал). Такая организация сетевых протоколов предполагает иерархическую структуру подсистемы ввода/вывода, когда драйверы являются объединением независимых модулей.

Подсистема STREAMS в большой степени призвана решить эти задачи. Она предоставляет интерфейс обмена данными, основанный на сообщениях, и обеспечивает стандартные механизмы буферизации, управления потоком данных и различную приоритетность обработки. В STREAMS дублирование кода сводится к минимуму, поскольку однотипные функции обработки реализованы в независимых модулях, которые могут быть использованы различными драйверами. Сам драйвер обеспечивает требуемую функциональность, связывая в цепочку один или несколько модулей, подобно тому как программный канал позволяет получить новое качество обработки, связав несколько независимых утилит.

Сегодня подсистема STREAMS поддерживается большинством производителей операционных систем UNIX и является основным способом реализации сетевых драйверов и модулей протоколов. Использование STREAMS охватывает и другие устройства, например терминальные драйверы в UNIX SVR4.

Архитектура STREAMS

Подсистема STREAMS обеспечивает создание потоков – полнодуплексных каналов между прикладным процессом и драйвером устройства[57]57
  Потоковый драйвер (драйвер STREAMS) имеет архитектуру, отличную от архитектуры драйверов символьных устройств, рассмотренных ранее.


[Закрыть]. С другой стороны, архитектура STREAMS определяет интерфейсы и набор правил, необходимых для взаимодействия различных частей этой системы и для разработки модульных драйверов, обеспечивающих такое взаимодействие и обработку.

На рис. 5.13 показана общая архитектура коммуникационного канала между процессом и драйвером STREAMS. Сам поток полностью располагается в пространстве ядра, соответственно и все функции обработки данных выполняются в системном контексте. Типичный поток состоит из головного модуля, драйвера и, возможно, одного или более модулей. Головной модуль взаимодействует с прикладными процессами через интерфейс системных вызовов. Драйвер, замыкающий поток, взаимодействует непосредственно с физическим устройством или псевдоустройством, в качестве которого может выступать другой поток. Модули выполняют промежуточную обработку данных.

Рис. 5.13. Базовая архитектура потока

Процесс взаимодействует с потоком, используя стандартные системные вызовы open(2), close(2), read(2), write(2) и ioctl(2). Дополнительные функции работы с потоками включают poll(2), putmsg(2) и getmsg(2). Передача данных по потоку осуществляется в виде сообщений, содержащих данные, тип сообщения и управляющую информацию. Для передачи данных каждый модуль, включая головной модуль и сам драйвер, имеет две очереди – очередь чтения (read queue) и очередь записи (write queue). Каждый модуль обеспечивает необходимую обработку данных и передает их в очередь следующего модуля. При этом передача в очередь записи осуществляется вниз по потоку (downstream), а в очередь чтения – вверх по потоку (upstream). Например, на рис. 5.13 из очереди записи модуля 2 сообщение может быть передано в очередь записи модуля 1, но не наоборот. В свою очередь сообщение из очереди чтения модуля 2 передается в очередь чтения головного модуля, который далее передает данные процессу в ответ на системный вызов read(2). Когда процесс выполняет системный вызов write(2), данные передаются головному модулю и далее вниз по потоку.

Сообщения также могут передаваться в парную очередь. Другими словами, из очереди записи модуля 1 сообщение может быть направлено в очередь чтения того же модуля, а затем, при необходимости, передано вверх по потоку. При этом модулю нет необходимости знать, какой части потока принадлежит следующая очередь – головному или промежуточному модулю, или драйверу. Такой подход позволяет производить разработку модулей независимо друг от друга и использовать их затем в различных комбинациях и в различных потоках.

Подсистема STREAMS обеспечивает возможность такой комбинации благодаря механизму динамического встраивания (push) модуля в поток. Встраивание модуля возможно непосредственно после головного модуля. При этом будут установлены связи между соответствующими очередями встраиваемого модуля, головного модуля и модулей вниз по потоку. После этого встроенный модуль будет производить определенную обработку проходящих данных, тем самым изменяя изначальную функциональность потока. При необходимости модуль может быть извлечен (pop) из потока.

На рис. 5.14 показаны различные потоки, созданные из нескольких стандартных компонентов, для поддержки сетевых протоколов семейства TCP/IP. Причем модули IP, TCP и UDP могут поставляться одним производителем, а драйверы Ethernet или Token Ring соответствующими производителями сетевых адаптеров. В результате встраивания необходимых модулей первый поток будет обеспечивать передачу трафика TCP через адаптер Ethernet, в то время как второй – передачу трафика UDP через адаптер Token Ring.

Рис. 5.14. Использование одних и тех же модулей для создания различных потоков

Подсистема STREAMS также обеспечивает возможность мультиплексирования потоков. Мультиплексирующий драйвер может быть подключен к нескольким модулям как вверх, так и вниз по потоку. Различают три типа мультиплексоров – верхний, обеспечивающий мультиплексирование вверх по потоку, нижний, обеспечивающий мультиплексирование вниз по потоку, и гибридный, поддерживающий несколько потоков выше и ниже мультиплексора.

С помощью мультиплексирующих драйверов потоки, представленные на рис. 5.14, могут быть объединены в единый драйвер протоколов, поддерживающий несколько каналов передачи данных. Именно таким образом реализована поддержка сети во многих версиях операционной системы UNIX. Возможная организация компонентов STREAMS приведена на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Конфигурация сетевого доступа с использованием подсистемы STREAMS

В этом случае модули TCP и UDP являются верхними мультиплексорами, а модуль IP реализован в виде гибридного мультиплексора[58]58
  На самом деле мультиплексором может являться только драйвер STREAMS. Объединение драйверов в единый объект отлично от встраивания модулей и носит название связывания. Более подробно связывание и различия между модулями и драйверами STREAMS мы рассмотрим несколько позже в этой главе.


[Закрыть]. Такая организация позволяет приложениям создавать потоки, используя различные комбинации сетевых протоколов и драйверов сетевых устройств. Задача мультиплексирующего драйвера помимо обработки данных заключается в хранении состояния всех потоков и правильной маршрутизации данных между ними, т. е. передаче данных в очередь требуемого модуля.

Модули

Модули являются основными компонентами потока. Каждый модуль состоит из пары очередей – очереди чтения и записи, а также набора функций, осуществляющих обработку данных и их передачу вверх или вниз по потоку. Архитектура модуля представлена на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Модуль STREAMS

Каждая очередь представлена структурой данных queue. Наиболее важными полями queue являются:

q_qinfo	Указатель на структуру qinit, описывающую функции обработки сообщений данной очереди.
q_first, q_last	Указатели на связанный список сообщений, ожидающих передачи вверх или вниз по потоку.
q_next	Указатель на очередь следующего модуля вверх или вниз по потоку.
q_ptr	Указатель на внутренние данные модуля (очереди).

Помимо указанных полей, структура queue содержит параметры для обеспечения управления потоком данных – верхнюю и нижнюю ватерлинии очереди.

Передача данных вверх или вниз по потоку осуществляется с помощью функций модуля, указатели на которые хранятся в структуре qinit. Модуль должен определить четыре процедуры для обработки каждой из очередей: xxput(), xxservice(), xxopen() и xxclose(), где xx, как и прежде, обозначает уникальный префикс драйвера. Эти функции адресуются указателями (*qi_putp)(), (*qi_srvp)(), (*qi_qopen)(), (*qi_close)(). Этих четырех функций достаточно для взаимодействия с соседними модулями, обработки и передачи данных. Функция xxopen() вызывается каждый раз, когда процесс открывает поток или при встраивании модуля. Соответственно функция xxclose() вызывается при закрытии потока или извлечении модуля. Функция xxput() осуществляет обработку сообщений, проходящих через модуль. Если xxput() не может передать сообщение следующему модулю (например, в случае, если очередь следующего модуля переполнена), она помещает сообщение в собственную очередь. Периодически ядро вызывает процедуру xxservice() каждого модуля для передачи отложенных сообщений.

Модуль должен иметь функцию xxput() для каждой очереди. Функция xxservice() может не существовать, в этом случае xxput() не имеет возможности отложить передачу сообщения и должна передать его немедленно, даже если очередь следующего модуля переполнена. Таким образом модули, не имеющие процедур xxservice(), не обладают возможностью управления потоком данных. Эти аспекты мы подробнее рассмотрим в следующих разделах.

Оставшиеся поля структуры qinit:

module_info	В этой структуре хранятся базовые значения таких параметров, как ватерлинии, размер сообщений и т.д. Некоторые из этих параметров также находятся в структуре queue. Это дает возможность динамически изменять их, сохраняя при этом базовые значения.
module_stat	Эта структура непосредственно не используется подсистемой STREAMS. Однако модуль имеет возможность осуществлять сбор разнообразной статистики своего участка потока с помощью полей этой структуры.