Организация файловой системы в UNIX. Работа с файлами и директориями. Понятие о memory mapped файлах

Системные вызовы и команды для выполнения операций над файлами и директориями

В материалах предыдущих семинаров уже говорилось о некоторых командах и системных вызовах, позволяющих выполнять операции над файлами в операционной системе UNIX.

В семинарах 1-2 рассматривался ряд команд, позволяющих изменять атрибуты файла – chmod , chown , chgrp , команду копирования файлов и директорий – cp , команду удаления файлов и директорий – rm , команду переименования и перемещения файлов и директорий – mv , команду просмотра содержимого директорий – ls .

В материалах семинара 5, посвященного потокам ввода-вывода, рассказывалось о хранении информации о файлах внутри адресного пространства процесса с помощью таблицы открытых файлов, о понятии файлового дескриптора, о необходимости введения операций открытия и закрытия файлов (системные вызовы open() и close() ) и об операциях чтения и записи (системные вызовы read() и write() ). Мы обещали вернуться к более подробному рассмотрению затронутых вопросов в текущих семинарах. Пора выполнять обещанное. Далее в этом разделе, если не будет оговорено особо, под словом "файл" будет подразумеваться регулярный файл.

Вся информация об атрибутах файла и его расположении на физическом носителе содержится в соответствующем файлу индексном узле и, возможно, в нескольких связанных с ним логических блоках. Для того чтобы при каждой операции над файлом не считывать эту информацию с физического носителя заново, представляется логичным, считав информацию один раз при первом обращении к файлу, хранить ее в адресном пространстве процесса или в части адресного пространства ядра, характеризующей данный процесс. Именно поэтому в лекции 2 данные о файлах, используемых процессом, были отнесены к составу системного контекста процесса, содержащегося в его PCB.

С точки зрения пользовательского процесса каждый файл представляет собой линейный набор байт, снабженный указателем текущей позиции процесса в этом наборе. Все операции чтения из файла и записи в файл производятся в этом наборе с того места, на которое показывает указатель текущей позиции. По завершении операции чтения или записи указатель текущей позиции помещается после конца прочитанного или записанного участка файла. Значение этого указателя является динамической характеристикой файла для использующего его процесса и также должно храниться в PCB.

На самом деле организация информации, описывающей открытые файлы в адресном пространстве ядра операционной системы UNIX, является более сложной.

Некоторые файлы могут использоваться одновременно несколькими процессами независимо друг от друга или совместно. Для того чтобы не хранить дублирующуюся информацию об атрибутах файлов и их расположении на внешнем носителе для каждого процесса отдельно, такие данные обычно размещаются в адресном пространстве ядра операционной системы в единственном экземпляре, а доступ к ним процессы получают только при выполнении соответствующих системных вызовов для операций над файлами.

Независимое использование одного и того же файла несколькими процессами в операционной системе UNIX предполагает возможность для каждого процесса совершать операции чтения и записи в файл по своему усмотрению. При этом для корректной работы с информацией необходимо организовывать взаимоисключения для операций ввода-вывода. Совместное использование одного и того же файла в операционной системе UNIX возможно для близко родственных процессов, т.е. процессов, один из которых является потомком другого или которые имеют общего родителя. При совместном использовании файла процессы разделяют некоторые данные, необходимые для работы с файлом, в частности, указатель текущей позиции. Операции чтения или записи, выполненные в одном процессе, изменяют значение указателя текущей позиции во всех близко родственных процессах, одновременно использующих этот файл.

Как мы видим, вся информация о файле, необходимая процессу для работы с ним, может быть разбита на три части:

• данные, специфичные для этого процесса;
• данные, общие для близко родственных процессов, совместно использующих файл, например, указатель текущей позиции ;
• данные, являющиеся общими для всех процессов, использующих файл, – атрибуты и расположение файла.

Рис. 11-12.2. Взаимосвязи между таблицами, содержащими данные об открытых файлах в системе

Естественно, что для хранения этой информации применяются три различные связанные структуры данных, лежащие, как правило, в адресном пространстве ядра операционной системы, – таблица открытых файлов процесса, системная таблица открытых файлов и таблица индексных узлов открытых файлов. Для доступа к этой информации в управляющем блоке процесса заводится таблица открытых файлов, каждый непустой элемент которой содержит ссылку на соответствующий элемент системной таблицы открытых файлов, содержащей данные, необходимые для совместного использования файла близко родственными процессами. Из системной таблицы открытых файлов мы, в свою очередь, можем по ссылке добраться до общих данных о файле, содержащихся в таблице индексных узлов открытых файлов (см. рис. 11–12.2). Только таблица открытых файлов процесса входит в состав его PCB и, соответственно, наследуется при рождении нового процесса. Индекс элемента в этой таблице (небольшое целое неотрицательное число) или файловый дескриптор является той величиной, характеризующей файл, которой может оперировать процесс при работе на уровне пользователя. В эту же таблицу открытых файлов помещаются и ссылки на данные, описывающие другие потоки ввода-вывода, такие как pipe и FIFO (об этом уже упоминалось в семинаре 5). Как мы увидим позже (в материалах семинаров 15–16, посвященных сетевому программированию), эта же таблица будет использоваться и для размещения ссылок на структуры данных, необходимых для передачи информации от процесса к процессу по сети.

Системный вызов open() . Для выполнения большинства операций над файлами через системные вызовы пользовательский процесс обычно должен указать в качестве одного из параметров системного вызова дескриптор файла, над которым нужно совершить операцию. Поэтому, прежде чем совершать операции, мы должны поместить информацию о файле в наши таблицы файлов и определить соответствующий файловый дескриптор. Для этого, как уже говорилось в семинаре 5, применяется процедура открытия файла, осуществляемая системным вызовом open() . При открытии файла операционная система проверяет, соответствуют ли права, которые запросил процесс для операций над файлом, правам доступа, установленным для этого файла. В случае соответствия она помещает необходимую информацию в системную таблицу файлов и, если этот файл не был ранее открыт другим процессом, в таблицу индексных дескрипторов открытых файлов. Далее операционная система находит пустой элемент в таблице открытых файлов процесса, устанавливает необходимую связь между всеми тремя таблицами и возвращает на пользовательский уровень дескриптор этого файла.

По сути дела, с помощью операции открытия файла операционная система осуществляет отображение из пространства имен файлов в дисковое пространство файловой системы, подготавливая почву для выполнения других операций.

Системный вызов close() . Обратным системным вызовом по отношению к системному вызову open() является системный вызов close() , с которым мы уже познакомились. После завершения работы с файлом процесс освобождает выделенные ресурсы операционной системы и, возможно, синхронизирует информацию о файле, содержащуюся в таблице индексных узлов открытых файлов, с информацией на диске, используя этот системный вызов. Надо отметить, что место в таблице индексных узлов открытых файлов не освобождается по системному вызову close() до тех пор, пока в системе существует хотя бы один процесс, использующий этот файл. Для обеспечения такого поведения в ней для каждого индексного узла заводится счетчик числа открытий, увеличивающийся на 1 при каждом системном вызове open() для данного файла и уменьшающийся на 1 при каждом его закрытии. Очищение элемента таблицы индексных узлов открытых файлов с окончательной синхронизацией данных в памяти и на диске происходит только в том случае, если при очередном закрытии файла этот счетчик становится равным 0.

Поведение таблицы открытых файлов процесса и связанных с ней таблиц при системных вызовах exit(), exec() и fork() рассматривалось в материалах семинара 5.