Текст книги "Linux программирование в примерах"

Автор книги: Арнольд Роббинс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 55 страниц)

4.3. Определение ошибок

«Если неприятность может произойти, она случается»

– Закон Мерфи -

«Будь готов»

– Бойскауты -

Ошибки могут возникнуть в любое время. Диски могут заполниться, пользователи могут ввести неверные данные, сетевой сервер, с которого осуществляется чтение, может отказать, сеть может выйти из строя и т.д. Важно всегда проверять успешность завершения каждой операции.

Основные системные вызовы Linux почти всегда возвращают при ошибке -1 и 0 или положительное значение при успехе. Это дает возможность узнать, была операция успешной или нет:

int result;

result = some_system_call(param1, param2);

if (result < 0) {

 /* ошибка, что-нибудь сделать */

} else

 /* все нормально, продолжить */

Знания того, что произошла ошибка, недостаточно. Нужно знать, какая произошла ошибка. Для этого у каждого процесса есть предопределенная переменная с именем errno. Всякий раз, когда системный вызов завершается ошибкой, errno устанавливается в один из набора предопределенных значений ошибок errno и предопределенные значения ошибок определены в файле заголовка .

#include /* ISO С */

extern int errno;

Хотя сама errno может быть макросом, который действует подобно переменной int – она не обязательно является действительной целой переменной. В частности, в многопоточном окружении у каждого потока будет своя индивидуальная версия errno. Несмотря на это, практически для всех системных вызовов и функций в данной книге вы можете рассматривать errno как простую int.

4.3.1. Значения errno

Стандарт POSIX 2001 определяет большое число возможных значений для errno. Многие из них относятся к сетям, IPC или другим специальным задачам. Справочная страница для каждого системного вызова описывает возможные значения errno, которые могут иметь место; поэтому вы можете написать код для проверки отдельных ошибок и соответствующим образом обработать их, если это нужно. Возможные значения определены через символические имена. Предусмотренные GLIBC значения перечислены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Значения GLIBC для errno

E2BIG	Слишком длинный список аргументов
EACCESS	Доступ запрещен
EADDRINUSE	Адрес используется
EADDRNOTAVAIL	Адрес недоступен
EAFNOSUPPORT	Семейство адресов не поддерживается
EAGAIN	Ресурс недоступен, попытайтесь снова (может быть то же самое значение, что EWOULDBLOCK).
EALREADY	Соединение уже устанавливается
EBADF	Ошибочный дескриптор файла.
EBADMSG	Ошибочное сообщение.
EBUSY	Устройство или ресурс заняты
ECANCELED	Отмена операции.
ECHILD	Нет порожденного процесса.
ECONNABORTED	Соединение прервано
ECONNFRFUSED	Соединение отклонено
ECONNRESET	Восстановлено исходное состояние соединения.
EDEADLK	Возможен тупик (deadlock) в запросе ресурса.
EDESTADDRREQ	Требуется адрес назначения
EDOM	Математический аргумент выходит за область определения функции
EDQUOT	Зарезервировано.
EEXIST	Файл существует.
EFAULT	Ошибочный адрес.
EFBIG	Файл слишком большой.
EHOSTUNREACH	Хост недоступен.
EIDRM	Идентификатор удален
EILSEQ	Ошибочная последовательность байтов.
EINPROGRESS	Операция исполняется.
EINTR	Прерванная функция.
EINVAL	Недействительный аргумент.
EIO	Ошибка ввода/вывода.
EISCONN	Сокет (уже) соединен.
EISDIR	Это каталог.
ELOOP	Слишком много уровней символических ссылок.
EMFILE	Слишком много открытых файлов.
EMLINK	Слишком много ссылок.
EMSGSIZE	Сообщение слишком длинное.
EMULTIHOP	Зарезервировано.
ENAMETOOLONG	Имя файла слишком длинное
ENETDOWN	Сеть не работает
ENETRESET	Соединение прервано сетью
ENETUNREACH	Сеть недоступна.
ENFILE	В системе открыто слишком много файлов.
ENOBUFS	Буферное пространство недоступно.
ENODEV	Устройство отсутствует
ENOENT	Файл или каталог отсутствуют
ENOEXEC	Ошибочный формат исполняемого файла.
ENOLCK	Блокировка недоступна.
ENOLINK	Зарезервировано.
ENOMEM	Недостаточно памяти.
ENOMSG	Сообщение нужного типа отсутствует
ENOPROTOOPT	Протокол недоступен.
ENOSPC	Недостаточно памяти в устройстве.
ENOSYS	Функция не поддерживается.
ENOTCONN	Сокет не соединен.
ENOTDIR	Это не каталог
ENOTEMPTY	Каталог не пустой.
ENOTSOCK	Это не сокет
ENOTSUP	Не поддерживается
ENOTTY	Неподходящая операция управления вводом/выводом
ENXIO	Нет такого устройства или адреса.
EOPNOTSUPP	Операция сокета не поддерживается
EOVERFLOW	Слишком большое значение для типа данных
EPERM	Операция не разрешена
EPIPE	Канал (pipe) разрушен
EPROTO	Ошибка протокола.
EPROTONOSUPPORT	Протокол не поддерживается
EPROTOTYPE	Ошибочный тип протокола для сокета
ERANGE	Результат слишком большой
EROFS	Файловая система только для чтения
ESPIPE	Недействительный поиск
ESRCH	Нет такого процесса
ESTALE	Зарезервировано
ETIMEDOUT	Тайм-аут соединения истек
ETXTBSY	Текстовый файл занят
EWOULDBLOCK	Блокирующая операция (может быть то же значение, что и для EAGAIN)
EXDEV	Ссылка через устройство (cross-device link)

Многие системы предоставляют также другие значения ошибок, а в более старых системах может не быть всех перечисленных значений ошибок. Полный список следует проверить с помощью справочных страниц intro(2) и errno(2) для локальной системы.

ЗАМЕЧАНИЕ. errno следует проверять лишь после того, как возникла ошибка и до того, как сделаны дальнейшие системные вызовы. Начальное значение той переменной 0. Однако, в промежутках между ошибками ничто не изменяет ее значения, это означает, что успешный системный вызов не восстанавливает значение 0. Конечно, вы можете вручную установить ее в 0 в самом начале или когда захотите, однако это делается редко.

Сначала мы используем errno лишь для сообщений об ошибках. Для этого имеются две полезные функции. Первая – perror():

#include /* ISO С */

void perror(const char *s);

Функция perror() выводит предоставленную программой строку, за которой следует двоеточие, а затем строка, описывающая значение errno:

if (some_system_call(param1, param2) < 0) {

 perror("system call failed");

 return 1;

}

Мы предпочитаем функцию strerror(), которая принимает параметр со значением ошибки и возвращает указатель на строку с описанием ошибки:

#include /* ISO С */

char *strerror(int errnum);

strerror() предоставляет для сообщений об ошибках максимальную гибкость, поскольку fprintf() дает возможность выводить ошибки любым нужным нам способом, наподобие этого.

if (some_system_call(param1, param2) < 0) {

 fprintf(stderr, "%s: %d, %d: some_system_call failed: %sn",

  argv[0], param1, param2, strerror(errno));

 return 1;

}

По всей книге вы увидите множество примеров использования обеих функций.

4.3.2. Стиль сообщения об ошибках

Для использования в сообщениях об ошибках С предоставляет несколько специальных макросов. Наиболее широкоупотребительными являются __FILE__ и __LINE__, которые разворачиваются в имя исходного файла и номер текущей строки в этом файле. В С они были доступны с самого начала. C99 определяет дополнительный предопределенный идентификатор, __func__, который представляет имя текущей функции в виде символьной строки. Макросы используются следующим образом:

if (some_system_call(param1, param2) < 0) {

 fprintf(stderr, "%s: %s (%s %d): some_system_call(%d, %d) failed: %sn",

  argv[0], __func__, __FILE__, __LINE__,

  param1, param2, strerror(errno));

 return 1;

}

Здесь сообщение об ошибке включает не только имя программы, но также и имя функции, имя исходного файла и номер строки. Полный список идентификаторов, полезных для диагностики, приведен в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Диагностические идентификаторы C99

__DATE__	C89	Дата компиляции в виде «Mmm nn yyyy»
__FILE_	Оригинальная	Имя исходного файла в виде «program.c»
__LINE__	Оригинальная	Номер строки исходного файла в виде 42
__TIME__	C89	Время компиляции в виде «hh:mm:ss»
__func__	C99	Имя текущей функции, как если бы было объявлено const char __func__[] = "name"

Использование __FILE__ и __LINE__ было вполне обычно для ранних дней Unix, когда у большинства людей были исходные коды и они могли находить ошибки и устранять их. По мере того, как системы Unix становились все более коммерческими, использование этих идентификаторов постепенно уменьшалось, поскольку знание положения в исходном коде дает немного пользы, когда имеется лишь двоичный исполняемый файл.

Сегодня, хотя системы GNU/Linux поставляются с исходными кодами, указанный исходный код часто не устанавливается по умолчанию. Поэтому использование этих идентификаторов для сообщений об ошибках не представляет дополнительной ценности. GNU Coding Standards даже не упоминает их.

4.4. Ввод и вывод

Все операции Linux по вводу/выводу осуществляются посредством дескрипторов файлов. Данный раздел знакомит с дескрипторами файлов, описывает, как их получать и освобождать, и объясняет, как выполнять с их помощью ввод/вывод.

4.4.1. Понятие о дескрипторах файлов

Дескриптор файла является целым значением. Действительные дескрипторы файлов начинаются с 0 и растут до некоторого установленного системой предела. Эти целые фактически являются индексами таблицы открытых файлов для каждого процесса (Таблица поддерживается внутри операционной системы; она недоступна запущенным программам.) В большинстве современных систем размеры таблиц большие. Команда 'ulimit -n' печатает это значение:

$ ulimit -n

1024

Из С максимальное число открытых файлов возвращается функцией getdtablesize() (получить размер таблицы дескрипторов):

#include /* Обычный */

int getdtablesize(void);

Следующая небольшая программа выводит результат работы этой функции:

/* ch04-maxfds.с – Демонстрация getdtablesize(). */

#include /* для fprintf(), stderr, BUFSIZ */

#include /* для ssize_t */

int main(int argc, char **argv) {

 printf("max fds: %dn", getdtablesize());

 exit(0);

}

Неудивительно, что после компиляции и запуска эта программа выводит то же значение, что и ulimit:

$ ch04-maxfds

max fds: 1024

Дескрипторы файлов содержатся в обычных переменных int; для использования с системными вызовами ввода/вывода можно увидеть типичные объявления вида 'int fd'. Для дескрипторов файлов нет предопределенного типа.

В обычном случае каждая программа начинает свою работу с тремя уже открытыми для нее дескрипторами файлов. Это стандартный ввод, стандартный вывод и стандартная ошибка, с дескрипторами файлов 0, 1 и 2 соответственно. (Если не было использовано перенаправление, каждый из них связан с клавиатурой и с экраном.)

Очевидные символические константы. Оксюморон?

При работе с системными вызовами на основе дескрипторов файлов и стандартных ввода, вывода и ошибки целые константы 0, 1 и 2 обычно используются прямо в коде. В подавляющем большинстве случаев использование таких символических констант (manifest constants) является плохой мыслью. Вы никогда не знаете, каково значение некоторой случайной целой константы и имеет ли к ней какое-нибудь отношение константа с тем же значением, использованная в другой части кода. С этой целью стандарт POSIX требует объявить следующие именованные константы (symbolic constants) в :

STDIN_FILENO  «Номер файла» для стандартного ввода: 0.

STDOUT_FILENO Номер файла для стандартного вывода: 1.

STDERR_FILENO Номер файла для стандартной ошибки: 2.

Однако, по нашему скромному мнению, использование этих макросов избыточно. Во-первых, неприятно набирать 12 или 13 символов вместо 1. Во-вторых, использование 0, 1 и 2 так стандартно и так хорошо известно, что на самом деле нет никаких оснований для путаницы в смысле этих конкретных символических констант.

С другой стороны, использование этих констант не оставляет сомнений в намерениях программиста. Сравните это утверждение:

int fd = 0;

Инициализируется ли fd значением стандартного ввода, или же программист благоразумно инициализирует свои переменные подходящим значением? Вы не можете этого сказать.

Один из подходов (рекомендованный Джеффом Колье (Geoff Collyer)) заключается в использовании следующего определения enum:

enum { Stdin, Stdout, Stderr };

Затем эти константы можно использовать вместо 0, 1 и 2. Их легко читать и печатать.

4.4.2. Открытие и закрытие файлов

Новые дескрипторы файлов получают (наряду с другими источниками) в результате системного вызова open(). Этот системный вызов открывает файл для чтения или записи и возвращает новый дескриптор файла для последующих операций с этим файлом. Мы видели объявление раньше:

#include /* POSIX */

#include

#include

#include

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

Три аргумента следующие:

const char *pathname

Строка С, представляющая имя открываемого файла.

int flags

Поразрядное ИЛИ с одной или более констант, определенных в . Вскоре мы их рассмотрим.

mode_t mode

Режимы доступа для создаваемого файла. Это обсуждается далее в главе, см. раздел 4.6 «Создание файлов». При открытии существующего файла опустите этот параметр[46]46
  open() является одним из немногих варьирующих (variadic) системных вызовов – Примеч. автора.


[Закрыть].

Возвращаемое open() значение является либо новым дескриптором файла, либо -1, означающим ошибку, в этом случае будет установлена errno. Для простого ввода/вывода аргумент flags должен быть одним из значений из табл. 4.3.

Таблица 4.3. Значения flags для open()

O_RDONLY	0	Открыть файл только для чтения, запись невозможны
O_WRONLY	1	Открыть файл только для записи, чтение невозможно
O_RDWR	2	Открыть файл для чтения и записи

Вскоре мы увидим пример кода. Дополнительные значения flags описаны в разделе 4.6 «Создание файлов». Большой объем ранее написанного кода Unix не использовал эти символические значения. Вместо этого использовались числовые значения. Сегодня это рассматривается как плохая практика, но мы представляем эти значения, чтобы вы их распознали, если встретитесь с ними

Системный вызов close() закрывает файл: его элемент в системной таблице дескрипторов файлов помечается как неиспользуемый, и с этим дескриптором нельзя производить никаких дальнейших действий. Объявление следующее:

#include /* POSIX */

int close(int fd);

В случае успеха возвращается 0, при ошибке (-1). При возникновении ошибки нельзя ничего сделать, кроме сообщения о ней. Ошибки при закрытии файлов являются необычными, но не невозможными, особенно для файлов, доступ к которым осуществляется через сеть. Поэтому хорошей практикой является проверка возвращаемого значения, особенно для файлов, открытых для записи.

Если вы будете игнорировать возвращаемое значение, специально приведите его к типу void, чтобы указать, что вам не нужен результат:

(void)close(fd); /* отказ от возвращаемого значения */

Легкомысленность этого совета в том, что слишком большое количество приведений к void имеют тенденцию загромождать код. Например, несмотря на принцип «всегда проверять возвращаемое значение», чрезвычайно редко можно увидеть код, проверяющий возвращаемое значение printf() или приводящий его к void. Как и со многими аспектами программирования на С, здесь также требуются опыт и рассудительность.

Как упоминалось, число открытых файлов, если оно большое, ограничивается, и вам всегда следует закрывать файлы, когда работа с ними закончена. Если вы этого не сделаете, то в конечном счете выйдете за пределы лимита дескрипторов файлов, создав ситуацию, которая ведет к потере устойчивости части вашей программы.

Система закрывает все открытые файлы, когда процесс завершается, но – за исключением 0, 1 и 2 – плохая манера полагаться на это.

Когда open() возвращает новый дескриптор файла, она всегда возвращает наименьшее неиспользуемое целое значение. Всегда. Поэтому, если открыты дескрипторы файлов 0–6 и программа закрывает дескриптор файла 5, следующий вызов open() вернет 5, а не 7. Это поведение важно; далее в книге мы увидим, как оно используется для аккуратной реализации многих важных особенностей Unix, таких, как перенаправление ввода/вывода и конвейеризация (piping)

4.4.2.1. Отображение переменных FILE* на дескрипторы файлов

Стандартные библиотечные функции ввода/вывода и переменные FILE* из , такие, как stdin, stdout и stderr, построены поверх основанных на дескрипторах файлов системных вызовах.

Иногда полезно получить непосредственный доступ к дескриптору файла, связанному с указателем файла , если вам нужно сделать что-либо, не определенное стандартом С ISO. Функция fileno() возвращает лежащий в основе дескриптор файла:

#include /* POSIX */

int fileno(FILE *stream);

Пример мы увидим позже, в разделе 4.4.4. «Пример: Unix cat».

4.4.2.2. Закрытие всех открытых файлов

Открытые файлы наследуются порожденными процессами от своих родительских процессов. Фактически они являются общими. В частности, общим является положение в файле. Подробности мы оставим для дальнейшего обсуждения в разделе 9.1.1.2 «Разделение дескрипторов файлов».

Поскольку программы могут наследовать другие файлы, иногда вы можете увидеть программы, которые закрывают все свои файлы, чтобы начать с «чистого состояния» В частности, типичен код наподобие этого:

int i;

/* оставить лишь 0, 1, и 2 */

for (i = 3; i < getdtablesize(); i++)

 (void)close(i);

Предположим, что результат getdtablesize() равен 1024. Этот код работает, но он делает (1024-3)*2 = 2042 системных вызова. 1020 из них не нужны, поскольку возвращаемое значение getdtablesize() не изменяется. Вот лучший вариант этого кода:

int i, fds;

for (i = 3, fds = getdtablesize(); i < fds; i++)

 (void)close(i);

Такая оптимизация не ухудшает читаемость кода, но может быть заметна разница, особенно на медленных системах. В общем, стоит поискать случаи, когда в циклах повторно вычисляется один и тот же результат, чтобы посмотреть, нельзя ли вынести вычисление за пределы цикла. Хотя в таких случаях нужно убедиться, что вы (а) сохраняете правильность кода и (б) сохраняете его читаемость!

4.4.3. Чтение и запись

Ввод/вывод осуществляется системными вызовами read() и write() соответственно:

#include /* POSIX */

#include

#include

#include

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

Каждая функция сделана как можно проще. Аргументами являются дескриптор открытого файла, указатель на буфер для чтения или записи данных и число читаемых или записываемых байтов.

Возвращаемое значение является числом действительно прочитанных или записанных байтов. (Это число может быть меньше запрошенного: при операции чтения это происходит, когда в файле осталось меньше count байтов, а при операции записи это случается, когда диск заполнен или произошла еще какая-нибудь ошибка.) Возвращаемое значение -1 означает возникшую ошибку, в этом случае errno указывает эту ошибку. Когда read() возвращает 0, это означает, что достигнут конец файла.

Теперь мы можем показать оставшуюся часть кода для ch04-cat. Процедура process() использует 0 для стандартного ввода, если именем файла является «-» (строки 50 и 51). В противном случае она открывает данный файл:

36 /*

37   * process – сделать что-то с файлом, в данном случае,

38   * послать его в stdout (fd 1).

39   * Возвращает 0, если все нормально; в противном случае 1.

40   */

41

42 int

43 process(char *file)

44 {

45  int fd;

46  ssize_t rcount, wcount;

47  char buffer[BUFSIZ];

48  int errors = 0;

49

50  if (strcmp(file, "-") == 0)

51   fd = 0;

52  else if ((fd = open(file, O_RDONLY)) < 0) {

53   fprintf(stderr, "%s: %s: cannot open for reading: %sn",

54    myname, file, strerror(errno));

55   return 1;

56  }

Буфер buffer (строка 47) имеет размер BUFSIZ; эта константа определена В как «оптимальный» размер блока для ввода/вывода. Хотя значение BUFSIZ различается в разных системах, код, использующий эту константу, чистый и переносимый.

Основой процедуры является следующий цикл, который повторно читает данные до тех пор, пока не будет достигнут конец файла или не возникнет ошибка.

58 while ((rcount = read(fd, buffer, sizeof buffer)) > 0) {

59  wcount = write(1, buffer, rcount);

60  if (wcount != rcount) {

61   fprintf(stderr, "%s: %s: write error: %sn",

62    myname, file, strerror(errno));

63   errors++;

64   break;

65  }

66 }

Переменные rcount и wcount (строка 45) имеют тип ssize_t, «знаковый size_t», который позволяет хранить в них отрицательные значения. Обратите внимание, что число байтов, переданное write(), является значением, возвращенным read() (строка 59). Хотя мы хотим читать порциями фиксированного размера в BUFSIZ, маловероятно, что размер самого файла кратен BUFSIZ. При чтении из файла завершающей, меньшей порции байтов, возвращаемое значение указывает, сколько байтов buffer получили новые данные. В стандартный вывод должны быть скопированы только эти байты, а не весь буфер целиком.

Условие 'wcount != rcount' в строке 60 является правильным способом проверки на ошибки; если были записаны некоторые, но не все данные, wcount будет больше нуля, но меньше rcount.

В заключение process() проверяет наличие ошибок чтения (строки 68–72), а затем пытается закрыть файл. В случае (маловероятном) неудачного завершения close() (строка 75) она выводит сообщение об ошибке. Избежание закрытия стандартного ввода не является абсолютно необходимым в данной программе, но является хорошей привычкой при разработке больших программ, в случае, когда другой код где-то в другом месте хочет что-то с ним делать или если порожденная программа будет наследовать его. Последний оператор (строка 82) возвращает 1, если были ошибки, и 0 в противном случае.

68  if (rcount < 0) {

69   fprintf(stderr, "%s: %s: read error: %sn",

70    myname, file, strerror(errno));

71   errors++;

72  }

73

74  if (fd != 0) {

75   if (close(fd) < 0) {

76    fprintf(stderr, "%s: %s: close error: %sn",

77     myname, file, strerror(errno));

78    errors++;

79   }

80  }

81

82  return (errors != 0);

83 }

ch04-cat проверяет на ошибки каждый системный вызов. Хотя это утомительно, зато предоставляет устойчивость (или по крайней мере, ясность): когда что-то идет не так, ch04-cat выводит сообщение об ошибке, которое специфично настолько, насколько это возможно. В сочетании с errno и strerror() это просто. Вот все с ch04-cat, всего 88 строк кода!

Для подведения итогов вот несколько важных моментов, которые нужно понять относительно ввода/вывода в Unix:

Ввод/вывод не интерпретируется

Системные вызовы ввода/вывода просто перемешают байты. Они не интерпретируют данные; вся интерпретация оставлена программе уровня пользователя. Это делает чтение и запись двоичных структур таким же простым, как чтение и запись строк текста (на самом деле, проще, хотя использование двоичных данных привносит проблемы переносимости).

Ввод/вывод гибок

За один раз вы можете прочесть или записать столько байтов, сколько захотите. Вы можете даже читать или записывать данные по одному байту за раз, хотя для больших объемов данных это обходится дороже, чем использование больших порций.

Ввод/вывод прост

Три уровня возвращаемых значений (отрицательные для ошибок, ноль для конца файла и положительные для счета) делают программирование простым и очевидным.

Ввод/вывод может быть частичным

Как read(), так и write() могут переместить меньше байтов, чем запрошено. Код приложения (т.е. ваш код) всегда должен учитывать это.