Интерфейс файловой системы

Пример применения операции асинхронного чтения из файла

Для того чтобы воспользоваться возможностями асинхронного ввода-вывода, нужно вызвать функцию CreateFile с установленным флагом FILE_FLAG_OVERLAPPED, входящим в состав параметра dwFlagsAndAttrs, и указать: с какой позиции осуществлять чтение (запись), сколько байтов считать (записать) и какое событие должно сигнализировать о том, что операция завершена. Для этого необходимо проинициализировать поля структуры OVERLAPPED в параметре pOverlapped функций ReadFile или WriteFile.

Структура OVERLAPPED

typedef struct _OVERLAPPED { 
    ULONG_PTR  Internal; 
    ULONG_PTR  InternalHigh; 
    DWORD  Offset; 
    DWORD  OffsetHigh; 
    HANDLE hEvent; 
} OVERLAPPED;

Параметр Internal используется для хранения кода возможной ошибки, а параметр InternalHigh - для хранения числа переданных байт. Вначале разработчики Windows не планировали делать их общедоступными - отсюда и такие не содержащие мнемоники имена. Offset и OffsetHigh - соответственно младшие и старшие разряды текущей позиции файла. hEvent специфицирует событие, сигнализирующее окончание операции ввода-вывода.

Прогон программы, осуществляющей асинхронное чтение из уже существующего файла

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

void main(void) {

HANDLE hFile, hHeap;
int iRet = 0;
void *pMem;
long BufSize = 512;
DWORD iRead = 10;
char * String;
OVERLAPPED ov = {0};


hFile = CreateFile("MYFILE.TXT", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING,                                                          
                    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL | FILE_FLAG_OVERLAPPED, NULL); 
if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) printf("Could not open file.");

hHeap = GetProcessHeap();
pMem = HeapAlloc(hHeap, HEAP_ZERO_MEMORY, BufSize);
String = (char *)pMem;

ov.Offset = 3;

ReadFile(hFile, pMem, iRead, iRead, ov);
WaitForSingleObject(hFile, INFINITE);
printf("Read %d bytes: %s\n", iRead, String);
printf("Read %d bytes: %s\n", ov.InternalHigh, String);

HeapFree(hHeap, 0, pMem);
CloseHandle(hFile); 
}

В программе проинициализирована структура OVERLAPPED и передана функции ReadFile в качестве параметра. Чтение начинается с 3-й позиции. Узнать число прочитанных байтов можно из ov.InternalHigh - компонента структуры OVERLAPPED. Обратите внимание, что значение переменной iRead, которая должна содержать количество прочтенных байтов, равно 0, так как функция вернула управление до завершения операции ввода-вывода. Обычно это справедливо для первого запуска программы. При последующих запусках, поскольку данные файла находятся в кэше, запрос может успеть выполниться синхронно и значение iRead уже будет равно числу прочитанных байтов.

В программе выбран простейший вариант синхронизации - сигнализация от объекта, управляющего устройством, в данном случае - открытого файла (функции , и .

Результат работы данной программы практически ничем не отличается от обычного синхронного чтения и в таком виде большого смысла не имеет. Однако если между операциями чтения и синхронизации заставить программу выполнять какую-либо полезную работу, то ресурсы компьютера будут использоваться более эффективно, т.к. процессор и устройство ввода будут работать параллельно.

Операция позиционирования в случае синхронного доступа к файлу

Итак, в случае асинхронного доступа позиция, начиная с которой будет осуществляться операция чтения-записи, содержится в запросе на операцию (параметр структуры OVERLAPPED ). Рассмотрим теперь особенности позиционирования при обычном синхронном вводе-выводе. В этом случае реализуется схема с "сохранением состояния", 64-разрядный указатель текущей для чтения-записи позиции хранится в составе атрибутов объекта "открытый файл" (его не нужно путать с атрибутами файла), описатель которого возвращает функция CreateFile.

Текущая позиция смещается на конец считанной или записанной последовательности байтов в результате операций чтения или записи. Кроме того, можно установить текущую позицию при помощи Win32-функции SetFilePointer. Например, операция

SetFilePointer(hFile,17 , NULL, FILE_BEGIN);

устанавливает указатель текущей позиции на 17-й байт с начала файла.

Тот факт, что указатель текущей позиции является атрибутом объекта "открытый файл", а не самого файла, означает, что тот же самый файл можно открыть повторно с другим описателем. При этом для одного и того же файла будут существовать два разных объекта с двумя разными указателями текущих позиций. Очевидно, что смена текущей позиции при работе с файлом через разные объекты будет происходить независимо.

С другой стороны, получив описатель открытого файла, можно его продублировать при помощи Win32- функции DuplicateHandle. В этом случае два разных описателя будут ссылаться на один и тот же объект с одним и тем же указателем текущей позиции.

Написание, компиляция и прогон программы, осуществляющей перемещение указателя текущей позиции внутри открытого файла

В качестве самостоятельного упражнения рекомендуется написать программу, которая проиллюстрировала бы перемещение указателя текущей позиции в результате операций чтения, записи и позиционирования. Необходимо также продемонстрировать в программе независимое позиционирование для двух описателей одного и того же файла и зависимое позиционирование для дубликата уже существующего описателя.

Директории. Логическая структура файлового архива

Файловая система на диске представляет собой иерархическую структуру, которая организована за счет наличия специальных файлов - каталогов (директорий). Каталоги имеют один и тот же внутренний табличный формат (рис 11.1) и обеспечивают многоуровневое наименование файлов.

Запись в каталоге о файле содержит имя файла, некоторые атрибуты (длина имени, временная метка) и ссылку на запись в главной файловой таблице, необходимую для нахождения блоков файла.

В итоге, файловая система на диске образует хорошо известную древовидную структуру (рис 11.2), где нет циклов (если отсутствуют ссылки и точки монтирования) и путь от корня к файлу однозначно определяет файл.

Поскольку имена файлов, находящихся в разных каталогах, могут совпадать, уникальность имени файла на диске обеспечивается добавлением к собственному имени файла списка вложенных каталогов, содержащих данный файл. Так образуется хорошо известное абсолютное или полное имя (pathname), например, \Games\Heroes\heroes.exe. Таким образом, использование древовидных каталогов минимизирует сложность назначения уникальных имен.

Чтобы иметь возможность работать с собственными именами файлов, используют концепцию рабочей или текущей директории, которая обычно входит в состав атрибутов процесса, работающего с данным файлом. Тогда на файлы в такой директории можно ссылаться только по имени. Кроме того ОС поддерживает обозначения '.' - для текущей директории и '..' - для родительской.

В системе поддерживается большое количество Win32-функций для манипуляции с каталогами, их полный перечень имеется в MSDN. В частности, для создания каталогов можно использовать функцию CreateDirectory. Вновь созданная директория включает записи с именами '.' и '..', однако считается пустой. Для работы с текущим каталогом можно использовать функции GetCurrentDirectory и SetCurrentDirectory. Работа с этими функциями проста и не нуждается в специальных разъяснениях.

Прогон программы, задача которой создать каталог на диске и сделать его текущим

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

void main(void) {

int iRet = 0;
char Buf[512];
int bufSize = 512;

iRet = GetCurrentDirectory(bufSize, Buf);
 printf("iRet = %d, current directory %s\n", iRet, Buf);

iRet = CreateDirectory("f:\\tmp1", NULL);
 if(!iRet) printf("CreateDirectory error\n");

iRet = SetCurrentDirectory("f:\\tmp1");
 if(!iRet) printf("SetCurrentDirectory error\n");

iRet = GetCurrentDirectory(bufSize, Buf);
 printf("iRet = %d, current directory %s\n", iRet, Buf);
}

Приведенная программа выводит на экран название текущего каталога, создает каталог "tmp1" на диске "F:" , делает его текущим и выводит на экран его название в качестве текущего каталога.

Самостоятельное упражнение

На основании предыдущей программы рекомендуется написать программу, которая создает каталог в родительской директории и копирует в него какой-либо файл с помощью функции CopyFile.

Разделы диска. Операция монтирования

В ОС Windows принято разбивать диски на логические диски (это низкоуровневая операция), иногда называемые разделами (partitions). Бывает, что, наоборот, объединяют несколько физических дисков в один логический диск. На разделе или логическом диске хранится корневой каталог данного и все вложенные в него каталоги, а задание пути к файлу начинается с имени логического диска или "буквы" диска.

Имена логических дисков хранятся в каталоге "\??" пространства имен объектов, которые и осуществляют связь логического диска и реального устройства. Указав букву диска, прикладная программа получает доступ к его файловой системе.

По аналогии с Unix операционная система Windows позволяет пользователю создать точку монтирования - связать какой-либо пустой каталог с каталогом логического диска. В случае успешного завершения операции содержимое этих каталогов будет соответствовать друг другу.

Эксперимент. Монтирование логического диска с помощью штатной утилиты mountvol

Чтобы смонтировать логический диск, нужно выполнить команду

>mountvol  [<диск>:]<путь> <имя тома>

Здесь параметр <путь> задает имя пустого каталога, а имя тома задается в виде \\?\Volume{код_GUID}\, где GUID - глобальный уникальный идентификатор.

Например

>mountvol  f:\tmp1   \\?\Volume\{2eca078d-5cbc-43d3-aff8-7e8511f60d0e}\}

Имена глобальных уникальных идентификаторов и их связь с буквами диска можно узнать, дав команду

>mountvol /?

Монтирование также можно выполнить с помощью панели управления дисками системной панели управления, если выбрать пункт "изменение буквы диска и пути диска".

Наконец, смонтировать диск можно программным образом с помощью Win32-функции SetVolumeMountPoint.

Защита файлов

Защита файлов от несанкционированного использования основана на том, что доступ к файлу зависит от идентификатора пользователя. Система контроля доступа предполагает наличие у каждого файла дескриптора защиты, содержащего список прав доступа, который формирует владелец файла и который входит в состав атрибута SecurityAttributes файла. Каждый процесс имеет маркер доступа, который содержит права пользователя, запустившего процесс.

Список прав доступа содержит набор идентификаторов пользователей, имеющих право на доступ к файлу, и их права в отношении этого файла. Маркер доступа содержит идентификатор владельца процесса. Система контроля доступа в момент открытия файла проверяет соответствие прав владельца процесса с теми, которые перечислены в списке прав доступа к файлу. В результате доступ может быть разрешен или отклонен.

Во время выполнения операций чтения, записи и других, проверок прав доступа уже не производится.

В новых версиях NTFS дескрипторы защиты всех файлов хранятся в отдельном файле метаданных \$Secure, который описывается 9-й записью главной файловой таблицы тома MFT (консолидированная защита).

Более подробно защита от несанкционированного доступа описана в части V данного курса.

Заключение

Файл - единица внешней памяти, поэтому обычно данные, записанные на диск, находятся в составе какого-нибудь файла. Файловая система решает задачи именования и типизации файлов, организации доступа к файлам, защиты, поиска файлов и ряд других. В системе на каждом разделе диска поддерживается иерархическая система каталогов. Для эффективного доступа к файлам могут быть организованы асинхронное чтение и запись.