Текст книги "Основы программирования в Linux"

Автор книги: Нейл Мэтью

Соавторы: Ричард Стоунс
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 67 страниц)

remove_records() {

 if [ -z «$cdcatnum» ]; then

  echo You must select a CD first find_cd n

 fi

 if [ -n «$cdcatnum» ]; then

  echo «You are about to delete $cdtitle»

  get_confirm && {

   grep -v "^${cdcatnum}, " $title_file > $temp_file

   mv $temp_file $title_file

   grep -v "^${cdcatnum}, " $tracks_file > $temp_file

   mv $temp_file $tracks_file

   cdcatnum=""

   echo Entry removed

  }

  get_return

 fi

 return

}

11. Функция list_tracks снова использует команду grep для извлечения нужных вам строк, команду cut для доступа к отдельным полям и затем команду more для постраничного вывода. Если вы посмотрите, сколько строк на языке С займет повторная реализация этих 20 необычных строк кода, то поймете, каким мощным средством может быть командная оболочка.

list_tracks() {

 if [ «$cdcatnum» = "" ]; then

  echo no CD selected yet

  return

 else

  grep "^${cdcatnum}, " $tracks_file > $temp_file

  num_tracks=${wc -l $temp_file}

  if [ «$num_tracks» = "0" ]; then

   echo no tracks found for $cdtitle

  else

   {

    echo

    echo «$cdtitle :-»

    echo

    cut -f 2– -d , $temp_file

    echo

   } | ${PAGER:-more}

  fi

 fi

 get_return

 return

}

12. Теперь, когда все функции определены, можно вводить основную процедуру. Первые несколько строк просто приводят файлы в известное состояние; затем вы вызываете функцию формирования меню set_menu_choice и действуете в соответствии с ее выводом.

Если выбран вариант quit (завершение), вы удаляете временный файл, выводите сообщение и завершаете сценарий с успешным кодом завершения.

rm -f $temp_file

if [ ! -f $title_file ]; then

 touch $title_file

fi

if [ ! -f $tracks_file ]; then

 touch $tracks_file

fi

# Теперь непосредственно приложение

clear

echo

echo

echo «Mini CD manager» sleep 1

quit=n

while [ «$quit» != "y" ]; do

 set_menu_choice

 case «$menu_choice» in

  a) add_records;;

  r) remove records;;

  f) find_cd y;;

  u) update_cd;;

  c) count_cds;;

  l) list_tracks;;

  b)

   echo

   more $title_file

   echo

   get return;;

  q | Q ) quit=y;;

  *) echo «Sorry, choice not recognized»;;

 esac

done

# Убираем и покидаем

rm -f $temp_file echo «Finished»

exit 0

Замечания, касающиеся приложения

Команда trap в начале сценария предназначена для перехвата нажатия пользователем комбинации клавиш +. Им может быть сигнал EXIT или INT, в зависимости от настроек терминала.

Существуют другие способы реализации выбора пункта меню, особенно конструкция select в оболочках bash и ksh (которая, тем не менее, не определена в стандарте X/Open). Она представляет собой специализированный селектор пунктов меню. Проверьте ее на практике, если ваш сценарий может позволить себе быть немного менее переносимым. Для передачи пользователям многострочной информации можно также воспользоваться встроенными документами.

Возможно, вы заметили, что нет проверки первичного ключа, когда создается новая запись; новый код просто игнорирует последующие названия с тем же кодом, но включает их дорожки в перечень первого названия:

1 First CD Track 1

2 First CD Track 2

1 Another CD

2 With the same CD key

Мы оставляем это и другие усовершенствования в расчете на ваше воображение и творческие способности, которые проявятся при корректировке вами программного кода в соответствии с требованиями GPL.

Резюме

В этой главе вы увидели, что командная оболочка – это мощный язык программирования со своими функциональными возможностями. Ее способность легко вызывать программы и затем обрабатывать их результат делают оболочку идеальным средством для решения задач, включающих обработку текста и файлов.

Теперь, если вам понадобится небольшая утилита, подумайте, сможете ли вы решить вашу проблему, комбинируя множество команд ОС Linux в сценарии командной оболочки. Вы будете поражены, увидев, как много вспомогательных программ можно написать без использования компилятора.

Глава 3
Работа с файлами

В этой главе будут рассматриваться файлы и каталоги ОС Linux и способы работы с ними. Вы научитесь создавать файлы, открывать и читать их, писать в них и удалять их. Вы также узнаете, как программы могут обрабатывать каталоги (например, создавать, просматривать и удалять их). После сделанного в предыдущей главе отступления, посвященного командным оболочкам, теперь вы начнете программировать на языке С.

Прежде чем перейти к способам обработки файлового ввода/вывода в системе Linux, мы дадим краткий обзор понятий, связанных с файлами, каталогами и устройствами. Для управления файлами и каталогами вам придется выполнять системные вызовы (аналог Windows API в системах UNIX и Linux), но, кроме того, для обеспечения более эффективного управления файлами существует большой набор библиотечных функций стандартной библиотеки ввода/вывода (stdio).

Большую часть главы мы посвятим работе с различными вызовами, необходимыми для обработки файлов и каталогов. Таким образом, в данной главе будут обсуждаться разные темы, связанные с файлами:

□ файлы и устройства;

□ системные вызовы;

□ библиотечные функции;

□ низкоуровневый доступ к файлу;

□ управление файлами;

□ стандартная библиотека ввода/вывода;

□ форматированный ввод и вывод;

□ сопровождение файлов и каталогов;

□ просмотр каталогов;

□ ошибки;

□ файловая система /proc;

□ более сложные приемы – fcntl и mmap.

Структура файла в Linux

Вы можете спросить: «Зачем вы останавливаетесь на структуре файла? Я уже знаком с ней.» Дело в том, что в среде Linux, как и UNIX, файлы особенно важны, поскольку они обеспечивают простую и согласованную взаимосвязь со службами операционной системы и устройствами. В ОС Linux файл – это все что угодно. Ну, или почти все!

Это означает, что в основном программы могут обрабатывать дисковые файлы, последовательные порты, принтеры и другие устройства точно так же, как они используют файлы. Мы расскажем о некоторых исключениях, таких как сетевые подключения, в главе 15, но в основном вы должны будете применять пять базовых функций: open, close, read, write и ioctl.

Каталоги – тоже специальный тип файлов. В современных версиях UNIX, включая Linux, даже суперпользователь не пишет непосредственно в них. Обычно все пользователи для чтения каталогов применяют интерфейс opendir/readdir, и им нет нужды знать подробности реализации каталогов в системе. Позже в этой главе мы вернемся к специальным функциям работы с каталогами.

Действительно, в ОС Linux почти все представлено в виде файлов или может быть доступно с помощью специальных файлов. И основная идея сохраняется даже, несмотря на то, что существуют в силу необходимости небольшие отличия от известных и любимых вами традиционных файлов. Давайте рассмотрим особые случаи, о которых мы уже упоминали.

Каталоги

Помимо содержимого у файла есть имя и набор свойств, или «административная информация», т.е. дата создания/модификации файла и права доступа к нему. Свойства хранятся в файловом индексе (inode), специальном блоке данных файловой системы, который также содержит сведения о длине файла и месте хранения файла на диске. Система использует номер файлового индекса; для нашего удобства структуру каталога также называют файлом.

Каталог – это файл, содержащий номера индексов и имена других файлов. Каждый элемент каталога – ссылка на файловый индекс; удаляя имя файла, вы удаляете ссылку. (Номер индекса файла можно увидеть с помощью команды ln -i.) Применяя команду ln, вы можете создать ссылки на один и тот же файл в разных каталогах.

Когда вы удаляете файл, удаляется элемент каталога для этого файла, и количество ссылок на файл уменьшается на единицу. Данные файла могут быть все еще доступны благодаря другим ссылкам на этот же файл. Когда число ссылок на файл (число, идущее после прав доступа в команде ls -l) становится равно нулю, индекс файла и блоки данных, на которые он ссылается, больше не используются и помечаются как свободные.

Файлы помещаются в каталоги, которые могут содержать подкаталоги. Так формируется хорошо знакомая иерархия файловой системы. Пользователь, скажем neil, обычно хранит файлы в исходном (home) каталоге, возможно /home/neil, с подкаталогами для хранения электронной почты, деловых писем, служебных программ и т.д. Имейте в виду, что у многих командных оболочек систем UNIX и Linux есть отличное обозначение для указания начала пути в вашем исходном каталоге: символ "тильда" (~). Для другого пользователя наберите ~user. Как вы знаете, исходные каталоги пользователей – это, как правило, подкаталоги каталога более высокого уровня, создаваемого специально для этой цели, в нашем случае это каталог /home.

Примечание

К сожалению, функции стандартной библиотеки при указании имени файла как параметра не понимают сокращенного обозначения с помощью тильды, поэтому в ваших программах следует всегда явно задавать полное имя файла.

Каталог /home в свою очередь является подкаталогом корневого каталога /, расположенного на верхнем уровне иерархии и содержащего все системные файлы и подкаталоги. В корневой каталог обычно включен каталог /bin для хранения системных программ (бинарных файлов), каталог /etc, предназначенный для хранения системных файлов конфигурации, и каталог /lib для хранения системных библиотек. Файлы, представляющие физические устройства и предоставляющие интерфейс для этих устройств, принято помещать в каталог /dev. На рис. 3.1 показана в качестве примера часть типичной файловой системы Linux. Мы рассмотрим структуру файловой системы Linux более подробно в главе 18, когда будем обсуждать стандарт файловой системы Linux (Linux File System Standard).

Рис. 3.1

Файлы и устройства

Даже физические устройства очень часто представляют (отображают) с помощью файлов. Например, будучи суперпользователем, вы можете смонтировать дисковод IDE CD-ROM как файл:

# mount -t iso9660 /dev/hdc /mnt/cdrom

# cd /mnt/cdrom

который выбирает устройство CD-ROM (в данном случае вторичное ведущее (secondary master) устройство IDE, которое загружается как /dev/hdc во время начального запуска системы; у устройств других типов будут другие элементы каталога /dev) и монтирует его текущее содержимое как файловую структуру в каталоге /mnt/cdrom. Затем вы перемещаетесь по каталогам компакт-диска как обычно, конечно за исключением того, что их содержимое доступно только для чтения.

В системах UNIX и Linux есть три важных файла устройств: /dev/console, /dev/tty и /dev/null.

dev/console

Это устройство представляет системную консоль. На него часто отправляются сообщения об ошибках и диагностическая информация. У всех систем UNIX есть выделенный терминал или экран для получения сообщений консоли. Иногда он может быть выделенным печатающим терминалом. На современных рабочих станциях и в ОС Linux обычно это активная виртуальная консоль, а под управлением графической среды X Window это устройство станет специальным окном консоли на экране.

/dev/tty

Специальный файл /dev/tty – это псевдоним (логическое устройство) управляющего терминала (клавиатуры и экрана или окна) процесса, если таковой есть. (Например, у процессов и сценариев, автоматически запускаемых системой, не будет управляющего терминала, следовательно, они не смогут открыть файл /dev/tty.)

Там где этот файл, /dev/tty может применяться, он позволяет программе писать непосредственно пользователю независимо от того, какой псевдотерминал или аппаратный терминал он использует. Это полезно при перенаправлении стандартного вывода. Примером может служить отображение содержимого длинного каталога в виде группы страниц с помощью команды ls -R | more, в которой у программы more есть пользовательская подсказка для каждой новой страницы вывода. Вы узнаете больше о файле /dev/tty в главе 5.

Учтите, что существует только одно устройство /dev/console, и в то же время может существовать много разных физических устройств, к которым можно обратиться с помощью файла dev/tty.

/dev/null

Файл /dev/null – это фиктивное устройство. Весь вывод, записанный на это устройство, отбрасывается. Когда устройство читается, немедленно возвращается конец файла, поэтому данное устройство можно применять с помощью команды cp как источник пустых файлов. Нежелательный вывод очень часто перенаправляется на dev/null.

$ echo do not want to see this >/dev/null

$ cp /dev/null empty_file

Примечание

Другой способ создания пустых файлов – применение команды touch <имя файла>, изменяющей время модификации файла или создающей новый файл при отсутствии файла с заданным именем. Хотя она и не очищает содержимое обрабатываемого файла.

В каталоге /dev можно найти и другие устройства, такие как дисководы жестких дисков и флоппи-дисководы, коммуникационные порты, ленточные накопители, дисководы CD-ROM, звуковые карты и некоторые устройства, представляющие внутреннюю структуру системы. Есть даже устройство /dev/zero, действующее как источник нулевых байтов для создания файлов, заполненных нулями. Для доступа к некоторым из этих устройств вам понадобятся права супер пользователя; обычные пользователи не могут писать программы, непосредственно обращающиеся к низкоуровневым устройствам, таким как накопители жестких дисков. Имена файлов устройств могут быть в разных системах различными. В дистрибутивах ОС Linux обычно есть приложения, выполняемые от имени суперпользователя и управляющие устройствами, которые иначе будут недоступны, например, mount для монтируемых пользователями файловых систем.

Устройства делятся на символьные и блочные. Отличие заключается в том, что к некоторым устройствам следует обращаться поблочно. Обычно только блочные устройства, такие как жесткие диски, поддерживают определенный тип файловой системы.

В этой главе мы сосредоточимся на дисковых файлах и каталогах. Другому устройству, пользовательскому терминалу, будет посвящена глава 5.

Системные вызовы и драйверы устройств

Вы можете обращаться к файлам и устройствам и управлять ими, применяя небольшой набор функций. Эти функции, известные как системные вызовы, непосредственно представляются системой UNIX (и Linux) и служат интерфейсом самой операционной системы.

В сердце операционной системы, ее ядре, есть ряд драйверов устройств. Они представляют собой коллекцию низкоуровневых интерфейсов для управления оборудованием системы. Например, в ней есть драйвер устройства для ленточного накопителя, который знает, как запустить ленту, перемотать ее вперед и назад, прочитать ее и записать на нее и т.д. Ему известно, что на ленту следует писать данные блоками определенного размера. Поскольку ленты – по природе своей устройства с последовательным доступом, драйвер не может обращаться непосредственно к блокам ленты, сначала он должен перемотать ленту до нужного места. Точно так же низкоуровневый драйвер накопителя жесткого диска будет записывать на диск в каждый момент времени только целое число дисковых секторов, но сможет прямо обратиться к любому нужному блоку диска, поскольку диск – это устройство с произвольным доступом.

Для формирования одинакового интерфейса драйверы устройств включают в себя все аппаратно-зависимые свойства. Уникальные аппаратные средства обычно доступны через системный вызов ioctl (I/O control, управление вводом/выводом).

Файлы устройств из каталога /dev используются одинаково: они могут открываться, читаться, на них можно записывать и их можно закрывать. Например, один и тот вызов open, используемый для доступа к обычному файлу, применяется для обращения к пользовательскому терминалу, принтеру или ленточному накопителю.

К низкоуровневым функциям или системным вызовам, используемым для обращения к драйверам устройств, относятся следующие:

□ open – открывает файл или устройство;

□ read – читает из открытого файла или устройства;

□ write – пишет в файл или устройство;

□ close – закрывает файл или устройство;

□ ioctl – передает управляющую информацию драйверу устройства.

Системный вызов ioctl применяется для аппаратно-зависимого управления (как альтернатива стандартного ввода/вывода), поэтому он у каждого устройства свой. Например, вызов ioctl может применяться для перемотки ленты в ленточном накопителе или установки характеристик управления потоками последовательного порта. Этим объясняется необязательная переносимость ioctl с машины на машину. Кроме того, у каждого драйвера определен собственный набор команд ioctl.

Этот системный вызов, как и другие, обычно описывается в разделе 2 интерактивного справочного руководства. Прототипы функций со списком параметров и типом возвращаемого функцией значения, используемые в системных вызовах, а также связанные с ними директивы #define с определением констант представлены в файлах include. Нужные для каждого системного вызова дополнения будут подключаться с описаниями отдельных вызовов.

Библиотечные функции

Проблема использования низкоуровневых системных вызовов непосредственно для ввода и вывода заключается в том, что они могут быть очень неэффективны. Почему? Ответ может быть следующим.

□ При выполнении системных вызовов существуют эксплуатационные издержки. Поэтому системные вызовы требуют больше затрат по сравнению с библиотечными функциями, т.к. ОС Linux вынуждена переключаться с выполнения вашего программного кода на собственный код ядра и затем возвращаться к выполнению вашей программы. Было бы неплохо стараться свести к минимуму применение системных вызовов в программе и заставлять каждый такой вызов выполнять максимально возможный объем работы, например, считывать и записывать за один раз большие объемы данных, а не одиночные символы.

□ У оборудования есть ограничения, накладываемые на размер блока данных, которые могут быть считаны или записаны в любой конкретный момент времени. У ленточных накопителей, например, часто есть размер блока для записи, скажем 10 Кбайт, поэтому, если вы попытаетесь записать количество информации, не кратное 10 Кбайт, накопитель переместит ленту к следующему блоку в 10 Кбайт, оставив на ленте пустоты.

Для формирования высокоуровневого интерфейса для устройств и дисковых файлов дистрибутив Linux (и UNIX) предоставляет ряд стандартных библиотек. Они представляют собой коллекции функций, которые вы можете включать в свои программы для решения подобных проблем. Хорошим примером может послужить стандартная библиотека ввода/вывода, обеспечивающая буферизованный вывод. Вы сможете эффективно записывать блоки данных разных размеров, применяя библиотечные функции, которые будут выполнять низкоуровневые системные вызовы, снабжая их полными блоками, как только данные станут доступны. Это существенно снижает издержки системных вызовов.

Библиотечные функции, как правило, описываются в разделе 3 интерактивного справочного руководства и часто снабжаются стандартным файлом директивы include, связанным с ними, например, файл stdio.h для стандартной библиотеки ввода/вывода.

Для обобщения материала последних нескольких разделов на рис. 3.2 приведена схема системы Linux, на которой показано, где расположены различные функции работы с файлами относительно пользователя, драйверов устройств, ядра системы и оборудования.

Рис. 3.2

Низкоуровневый доступ к файлам

У каждой выполняющейся программы, называемой процессом, есть ряд связанных с ней дескрипторов файлов. Существуют короткие целые (small integer) числа, которые можно использовать для обращения к открытым файлам и устройствам. Количество дескрипторов зависит от конфигурации системы. Когда программа запускается, у нее обычно уже открыты три подобных дескриптора. К ним относятся следующие:

□ 0 – стандартный ввод;

□ 1 – стандартный вывод;

□ 2 – стандартный поток ошибок.

Вы можете связать с файлами и устройствами другие дескрипторы файлов, используя системный вызов open, который уже обсуждался вкратце. Дескрипторы файлов, открытые автоматически, уже позволяют вам создавать простые программы с помощью вызова write.

write

Системный вызов write предназначен для записи из buf первых nbytes байтов в файл, ассоциированный с дескриптором fildes. Он возвращает количество реально записанных байтов, которое может быть меньше nbytes, если в дескрипторе файла обнаружена ошибка или дескриптор файла, расположенный на более низком уровне драйвера устройства, чувствителен к размеру блока. Если функция возвращает 0, это означает, что ничего не записано; если она возвращает -1, в системном вызове write возникла ошибка, которая описывается в глобальной переменной errno,

Далее приведена синтаксическая запись.

#include

size_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbytes);

Благодаря полученным знаниям вы можете написать свою первую программу, simple_write.c:

#include

#include

int main() {

 if ((write(1, «Here is some datan», 18)) != 18)

  write(2, «A write error has occurred on file descriptor 1n», 46);

 exit(0);

}

Эта программа просто помещает сообщение в стандартный вывод. Когда она завершается, все открытые дескрипторы файлов автоматически закрываются, и вам не нужно закрывать их явно. Но в случае буферизованного вывода это не так.

$ ./simple_write

Here is some data

$

И еще одно маленькое замечание: вызов write может сообщить о том, что записал меньше байтов, чем вы просили. Это не обязательно ошибка. В ваших программах вам придется для выявления ошибок проверить переменную errno и еще раз вызвать write для записи оставшихся данных.