Операционные системы

номеру записи в этой таблице. С файловым дескриптором (ФД)

ассоциировано имя файла и все необходимые атрибуты для работы с ним.

Номера ФД уникальны в пределах одного процесса. Есть аналогичная

функция create - функция открытия нового файла.

2. read/write - системные вызовы чтения/записи, параметрами которых

является номер ФД и некоторые атрибуты, которые не так важны для

нашего рассмотрения.

3. close - системный вызов завершения работы с файлом, параметром

которого является номер ФД. После обращения к этой функции ФД

становится свободным, а работа данного процесса с файлом завершается.

Вот некоторые системные вызовы, обеспечивающие ввод/вывод (кстати, они

почти не добавляют кода к вашей программе). Подробности посмотрите

самостоятельно. Я обратил ваше внимание, что это системные вызовы, потому

что ввод/вывод можно осуществлять и через библиотеки ввода/вывода. Для

этого существует, так называемый, файловый обмен и функции fopen, fread, и

т.д. (с префиксом f). Это библиотечные функции. Эти функции сами обращаются

к низкоуровневым функциям внутри себя.

Рассмотрим организацию обмена с системной точки зрения в операционной

системе UNIX. При организации обмена операционная система подразделяет

данные на две категории: данные, ассоциированные с процессом пользователя,

и данные, ассоциированные с операционной системой.

Таблица индексных дескрипторов открытых файлов. Первая таблица данных,

ассоциированных с операционной системой, - таблица индексных дескрипторов

открытых файлов (ТИДОФ). Эта таблица содержит записи, каждая из которых

содержит копию индексного дескриптора для каждого открытого в системе

файла. Через эту копию осуществляется доступ к блокам файлов. Каждая

записей таблицы содержит также поле, характеризующее количество открытых в

системе файлов, использующих данный дескриптор (счетчик). То есть, если

один и тот же файл открыт от имени двух процессов, то запись в ТИДОФ

создается одна, но каждое дополнительное открытие этого файла увеличивает

счетчик на единицу.

Таблица файлов. Таблица файлов (ТФ) содержит информацию об имени

открытого файла, и имеет ссылку на ТИДОФ.

Лекция №9

Мы говорили, что система может работать с содержимым файла в том и

только том случае, если процесс зарегистрировал свое желание работать с

этим файлом. Факт такой регистрации называется открытием файла. При

открытии файла в пределах процесса каждому имени открываемого файла

(открываться может уже существующий файл, либо новый) ставится в

соответствие уникальное целое число, которое называется файловым

дескриптором (ФД). В пределах процесса ФД имеют нумерацию от 0 до k-1.

Значение k - это параметр настройки операционной системы, определяющий,

какое количество одновременно открытых файлов может быть у процесса. Здесь

следует отметить, что мы говорим о количестве одновременно открытых файлов

(так же написано в любой книжке по UNIX-у), однако, на самом деле, k - это

максимальное количество ФД, которые могут быть ассоциированы с одним

файлом, потому что один и тот же файл в пределах процесса можно открыть два

раза, и образуется два ФД. К чему это приведет, мы рассмотрим несколько

позже, но это вполне корректно. После открытия файла, все операции обмена

осуществляются через указания файлового дескриптора (т.е. имя более нигде

не указывается). С каждым файловым дескриптором ассоциирован ряд параметров

(о них чуть позже).

Давайте посмотрим, как организуется ввод/вывод, а точнее обработка

низкоуровнего обмена, с точки зрения операционной системы. Сейчас будет

рассказано о логической схеме организации ввода/вывода, ибо реальная схема

устроена несколько иначе, но это для нас не так важно.

Все данные, с которыми оперирует система, подразделяются на два

класса. Первый тип данных - данные, ассоциированные с операционной

системой, то есть общесистемные данные. К этим данным относится ТИДОФ.

Размер таблицы фиксирован и определяется количеством одновременно открытых

ФД. Каждая запись в этой таблице содержит некоторую информацию, среди

которой нас будет интересовать следующая:

1) Копия ИД открытого файла. Для любого открытого файла, ИД, который

характеризует содержимое этого файла, копируется и размещается в

ТИДОФ. После этого все манипуляции с файлом (например, изменение

адресации файла) происходят с копией ИД, а не с самим ИД на диске.

ТИДОФ размещается в оперативной памяти, т.е. доступ к информации в

ней осуществляется быстро.

2) Счетчик открытых в данный момент файлов, связанных с данным ИД. Это

означает, что для любого количества открытий файла, связанного с

данным ИД, система работает с единственной копией этого ИД.

Теперь перейдем к, так называемой, таблице файлов (ТФ). Таблица файлов

состоит из фиксированного количества записей. Каждая запись ТФ

соответствует открытому в системе файлу {{или точнее ФД}}. При этом в

подавляющем большинстве случаев это есть взаимно однозначное соответствие.

Тот случай, когда это не есть взаимно однозначное соответствие, мы

рассмотрим ниже. Каждая запись ТФ содержит указатели чтения/записи по

файлу. Это означает, что, если открыт один и тот же файл в двух процессах

или дважды в одном процессе, то с каждым открытием связан свой указатель, и

они друг от друга не зависят (почти всегда, за исключением некоторых

случаев). Каждая запись ТФ содержит, так называемый, индекс

наследственности - это есть некоторое целое число.

Это данные уровня операционной системы, т.е. данные, которые описывают

состояние проблемы в системе в целом.

С каждым процессом связана, так называемая, таблица открытых файлов

(ТОФ). Номер записи в данной таблице есть номер ФД. Каждая строка этой

таблицы имеет ссылку на соответствующую строку ТФ. Это означает, что

информация об указателях, связанных с ФД, как бы разорвана. С одной

стороны, файловые дескрипторы - это данные, являющиеся атрибутом процесса,

с другой стороны, указатель - это данные, являющиеся атрибутом операционной

системы. Казалось бы, не логично, и сейчас мы рассмотрим, в чем эта

нелогичность проявляется. Для этого кратко рассмотрим концептуальные

вопросы, связанные с формированием процесса. Операционная система UNIX

имеет функцию fork(). Это системный вызов. При обращении к этому системному

вызову в системе происходит некоторое действие, которое для большинства из

вас может показаться бессмысленным, - происходит копирование процесса, в

котором встретилась эта функция, т.е. создается процесс-двойник. Для чего

это нужно, я скажу несколько позже.

Формирование процесса-двойника обладает следующими свойствами. Первое

свойство: процесс-сын, который будет сформирован после обращения к функции

fork(), имеет все те файлы, которые были открыты в процессе-отце. Второе -

система позволяет некоторыми своими средствами, идентифицировать, где

процесс-отец, а где процесс-сын, хотя в общем случае они абсолютно

одинаковы.

Предположим, есть процесс №1, и с ним ассоциирована таблица открытых

файлов №1. В этом процессе открыт файл с именем Name, и этому файлу

поставлен в соответствие файловый дескриптор I. Это означает, что в

соответствующей строке ТОФ будет запись, имеющая ссылку на ТФ. В ТФ

определены какие-то атрибуты, связанные с открытием файла, а также имеется

указатель чтения/записи, т.е. тот указатель, по которому мы работаем,

обмениваясь информацией с файлом. Записи в ТФ имеют ссылку на ТИДОФ, в

которой находится копия ИД, соответствующего файлу с именем Name.

Предположим, что в этом процессе еще раз открыт файл с именем Name.

Система поставила ему в соответствие файловый дескриптор J. Т.е. этому

открытию соответствует J-тая строка ТОФ первого процесса. В этой записи

будет ссылка на запись ТФ, которая поставлена в соответствие второму

открытию файла Name. И пока индексы наследственности для обоих случаев

будут равны единице. В этой записи будут свои, связанные с этим открытием,

указатели чтения/записи. Указатели файловых дескрипторов I и J независимы

друг от друга, т.е. при чтении/записи через файловый дескриптор I,

указатель файлового дескриптора J не изменится. Эта запись будет ссылаться

на тот же самый индексный дескриптор из ТИДОФ, и значение счетчика будет

равно двум.

Предположим, процесс №1 выполнил обращение к функции fork(),

образовалась копия процесса, причем, обе копии начинают работать на выходе

из fork(), и со вторым процессом будет ассоциирована ТОФ №2. Так же будет

открыт файл Name по ИД I и по ИД J. Но в этом случае, когда процесс получил

открытые файлы в наследство от родителя, то ссылки из соответствующих строк

ТОФ будут происходить не на новые записи ТФ, а на те же самые, к которым

ссылались соответствующие ФД у родителя. У этих процессов указатели чтения

записи будут одинаковы, т.е. если передвинуть указатель в одном процессе,

то он автоматически передвинется и для другого процесса. Этот случай, как

раз тот, когда нет взаимно однозначного соответствия между строками ТФ и

строками ТОФ. При порождении этих ссылок счетчик увеличивается на два. И,

соответственно, из ИД, за счет адресации блоков, осуществляется доступ к

блокам файлов. Такая информационная организация обмена означает, что обмен

с содержимым каждого файла осуществляется централизованно, т.е. в конечном

итоге, все заказы на обмен идут через одну единственную запись, сколько бы

файлов, связанных с этим ИД, не было открыто в системе. Здесь нет никаких

коллизий, когда во времени начинается путаница в выполненных, или

невыполненных обменах, связанных с одним дескриптором.

При любом формировании нового процесса, система априори устанавливает

нулевой, первый и второй файловые дескрипторы из ТОФ, связывая их с

предопределенными файлами. Нулевой ФД связан с системным файлом ввода, с

ним обычно ассоциировано внешнее устройство клавиатура. Первый ФД - это

стандартный файл вывода, обычно с ним ассоциирован экран монитора. Второй

ФД - это стандартный файл вывода диагностических сообщений, с ним также

обычно ассоциирован экран монитора.

Рассмотрим для примера типовые действия при обращении к тем или иным

системным вызовам.

Обращение к функции fork(). Как известно, при обращении к этой функции

система создает копию исходного процесса. При этом система дублирует ТОФ

одного процесса в ТОФ процесса-наследника, а также увеличивает на единицу

индекс наследственности в строках ТФ, ассоциированных с открытыми файлами

исходного процесс, а также увеличивает счетчик открытых файлов, связанных с

данным ИД, в ТИДОФ.

Обращение к функции open(). При обращении к этой функции происходит

следующее:

1. По полному имени определяется каталог, в котором размещен

файл.

2. Определяется номер ИД. По номеру ИД осуществляется поиск в

таблице ТИДОФ.

3. Если запись с заданным номером обнаружена, фиксируем номер

соответствующей строки ТИДОФ и переходим к шагу 5.

4. В случае если строка не обнаружена, происходит формирование

новой строки, соответствующей новому ИД и фиксируется ее

номер.

5. Корректируем счетчик ссылок (стрелок) на запись ТИДОФ. Номер

записи в ТИДОФ записывается в запись ТФ, а также в ТОФ

устанавливается ссылка на соответствующую запись ТФ. После

этого в программу возвращается номер сроки ТОФ, в которой

находится ссылка на запись в ТФ.

При операциях ввода/вывода действия системы очевидны.

Взаимодействие с устройствами. Мы уже говорили, что все устройства,

которые обслуживаются операционной системой UNIX, могут быть

классифицированы на два типа - байт-ориентированные устройства и блок-

ориентированные устройства. Следует отметить, что одно и то же устройство в

системе может рассматриваться и как байт-ориентированное, и как блок-

ориентированное (пример - оперативная память). Соответственно, есть

драйверы блок-ориентированные и байт-ориентированные. На прошлой лекции мы

рассматривали специальные файлы, ассоциированные с внешними устройствами, и

говорили о том, что есть таблица драйверов блок-ориентированных устройств

и таблица драйверов байт-ориентированных устройств. Соответственно, на эти

таблицы имеются ссылки в ИД специальных файлов.

Основной особенностью организации работы с блок-ориентированными

устройствами является возможность буферизации обмена. Суть заключается в

следующем. В оперативной памяти системы организован пул буферов, где

каждый буфер имеет размер в один блок. Каждый из этих блоков может быть

ассоциирован с драйвером одного из физических блок-ориентированных

устройств.

Рассмотрим, как выполняется последовательность действий при исполнении

заказа на чтение блока. Будем считать, что поступил заказ на чтение N-ого

блока из устройства с номером M.

1. Среди буферов буферного пула осуществляется поиск заданного

блока, т.е. если обнаружен буфер, содержащий N-ый блок М-ого

устройства, то фиксируем номер этого буфера. В этом случае,

обращение к реальному физическому устройству не происходит, а

операция чтения информации является представлением информации

из найденного буфера. Переходим на шаг 4.

2. Если поиск заданного буфера неудачен, то в буферном пуле

осуществляется поиск буфера для чтения и размещения данного

блока. Если есть свободный буфер (реально, эта ситуация

возможна только при старте системы), то фиксируем его номер и

переходим к шагу 3. Если свободного буфера не нашли, то мы

выбираем буфер, к которому не было обращений самое долгое

время. В случае если в буфере имеется установленный признак

произведенной записи информации в буфер, то происходит

реальная запись размещенного в буфере блока на физической

устройство. Затем фиксируем его номер и также переходим к

пункту 3.

3. Осуществляется чтение N-ого блока устройства М в найденный

буфер.

4. Происходит обнуление счетчика времени в данном буфере и

увеличение на единицу счетчиков в других буферах.

5. Передаем в качестве результата чтения содержимое данного

буфера.

Вы видите, что здесь есть оптимизация, связанная с минимизацией

реальных обращений к физическому устройству. Это достаточно полезно при

работе системы. Запись блоков осуществляется по аналогичной схеме. Таким

образом организована буферизация при низкоуровневом вводе/выводе.

Преимущества очевидны. Недостатком является то, что система в этом случае

является критичной к несанкционированным выключениям питания, т.е.

ситуация, когда буфера системы не выгружены, а происходит нештатное

прекращение выполнения программ операционной системы, что может привести к

потере информации.

Второй недостаток заключается в том, что за счет буферизации разорваны

во времени факт обращения к системе за обменом и реальный обмен. Этот

недостаток проявляется в случае, если при реальном физическом обмене

происходит сбой. Т.е. необходимо, предположим, записать блок, он

записывается в буфер, и получен ответ от системы, что обмен закончился

успешно, но когда система реально запишет этот блок на ВЗУ, неизвестно. При

этом может возникнуть нештатная ситуация, связанная с тем, что запись может

не пройти, предположим, из-за дефектов носителя. Получается ситуация, при

которой обращение к системе за функцией обмена для процесса прошло успешно

(процесс получил ответ, что все записано), а, на самом деле, обмен не

прошел.

Таким образом, эта система рассчитана на надежную аппаратуру и на

корректные профессиональные условия эксплуатации. Для борьбы с вероятностью

потери информации при появлении нештатных ситуаций, система достаточно

«умна», и действует верно. А именно, в системе имеется некоторый параметр,

который может оперативно меняться, который определяет периоды времени,

через которые осуществляется сброс системных данных. Второе - имеется

команда, которая может быть доступна пользователю, - команда SYNC. По этой

команде осуществляется сброс данных на диск. И третье - система обладает

некоторой избыточностью, позволяющей в случае потери информации, произвести

набор действий, которые информацию восстановят или спорные блоки, которые

не удалось идентифицировать по принадлежности к файлу, будут записаны в

определенное место файловой системы. В этом месте их можно попытаться

проанализировать и восстановить вручную, либо что-то потерять. Наш

университет одним из первых в стране начал эксплуатировать операционную

систему UNIX, и сейчас уже можно сказать, что проблем ненадежности системы,

с точки зрения фатальной потери информации, не было.

Сегодня мы начинали разговор о том, что у нас есть системные вызовы и

библиотеки ввода/вывода. Еще одно средство, которое позволяет

оптимизировать работу системы, - это стандартная библиотека ввода/вывода,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6