Деревянко А.С., Солощук М.Н. Операционные системы.Часть I. Построение и функционирование операционных систем

Подождите немного. Документ загружается.

201

8. В чем цель стратегии драйвера диска?

9. Сопоставьте потоки и многоуровневые драйверы. В чем их

сходство и различия?

10. Какие цели преследует буферизация ввода-вывода?

11. Сопоставьте по эффективности три режима буферизации

(пересылка, указание, подстановка), описанные в разделе 6.7.

12. Для чего нужен системный вызов ioctl? Приведите примеры

устройств, для которых этот вызов совершенно необходим.

Глава 7. Файловые системы

7.1. Иерархическая модель файловой системы

Файл – именованная совокупность данных. Это определение

относится к виртуальному файлу: каким он представляется пользователю.

Определение виртуального файла не конкретизирует, где именно, на каких

носителях находятся данные, из каких элементов эта совокупность состоит

и каковы отношения между элементами. Отсутствие детализации в

определении виртуального файла делает его удобной универсальной

метафорой любых внешних по отношению к процессу данных. В ОС Unix

впервые было введено представление всех внешних устройств как

виртуальных файлов. Это представление прочно укоренилось, и в

современных ОС имеется тенденция более широкого использования

файловой метафоры. В таких системах, например, имена всех внешних по

отношению к процессу именованных данных (семафоры, каналы-

транспортеры, очереди и т.д.) формируются по соглашениям именования

файлов. Многие современные ОС поддерживают так называемую

виртуальную файловую систему (VFS), которая позволяет включить в

202

единое пространство имен и в единую структуру именования не только

физические файлы, находящиеся на устройствах с различной структурой

хранения, но и все ресурсы, имеющие внешние имена.

Понятие же физического файла связывают с данными, хранящимися

на внешней памяти. Устройства внешней памяти предназначены для

длительного хранения данных. Файл, созданный на внешней памяти,

может существовать на ней сколь угодно долго, пока не будет уничтожен

явно заданной операцией уничтожения. Характерным является то, что

файл продолжает существовать и после завершения создавшего его

процесса, данные файла могут быть многократно прочитаны,

модифицированы, полностью заменены этим же или другим процессом.

Физический файл есть набор записей на устройстве внешней памяти,

сгруппированных таким образом, чтобы управлять доступом к ним, их

чтением и модификацией.

Файловой системой (ФС) называется та часть ОС, которая

обеспечивает перевод виртуального представления файла в физическое.

Этот перевод выполняется поэтапно, что позволяет представить ФС в виде

иерархической модели, показанной на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 Иерархическая модель файловой системы

203

Подсистема логической организации файлов обеспечивает API

процессов в соответствии с той логической структурой, которую имеет

виртуальный файл.

Логическая ФС выполняет перевод символьного имени файла в

некоторый внутрисистемный идентификатор файла. Этот перевод

включает в себя поиск по справочникам. Идентификатор обычно

представляет собой некоторую простую структуру данных, адресующую

дескриптор файла, который используется на следующем уровне иерархии.

Базовая ФС выполняет открытие и закрытие файлов и сопровождение

открытых файлов. Базовая ФС находит по идентификатору дескриптор

файла – системную структуру данных, содержащую информацию о

местонахождении файла, его характеристиках и состоянии. При открытии

файла этот уровень создает расширенный дескриптор файла,

отслеживающий в ходе работы процессов с файлом его текущее состояние.

Базовая ФС, возможно, также контролирует соблюдение прав доступа к

файлу.

Подсистема физической организации файлов выполняет перевод

виртуальных файловых адресов в реальные адреса на носителях. Этот

уровень отслеживает размещение файлов на внешней памяти и управляет

распределением пространства внешней памяти.

Система управления вводом-выводом (СУВВ) занимается

формированием управляющих воздействий на устройства внешней памяти,

их выполнением и обработкой прерываний. Этот уровень обеспечивается

драйверами устройств, рассмотренными нами в предыдущем разделе,

поэтому здесь мы этот уровень рассматривать не будем. Отметим только,

что управление устройствами (любыми, а не только устройствами внешней

памяти) является вырожденным случаем иерархической модели, в котором

отсутствует уровень логической ФС, а функции физической организации и

управления вводом-выводом реализованы в драйвере.

204

В следующих разделах мы рассмотрим подробнее уровни ФС,

двигаясь сверху вниз по иерархии.

7.2. Логическая организация файлов. Интерфейсы

Вне зависимости от логической структуры виртуального файла для

получения процессом доступа к данным файла должен быть выполнен

системный вызов open:

handle = open(fileName, mode)

Здесь fileName – символьное имя, идентифицирующее файл для

пользователя, соглашения об именовании файлов обсуждаются в

следующем разделе. mode – режим, задает способ обработки файла

(чтение, запись, запись в конец, чтение/запись, синхронное/асинхронное

выполнение операций ввода/вывода, параметры буферизации,

возможность совместного использования файла процессами и т.д.).

Возвращаемый манипулятор handle используется процессом для

идентификации файла во всех последующих операциях с ним.

Системный вызов:

close(handle)

закрывает файл, т. е., заканчивает работу процесса с файлом. Как правило,

ОС обеспечивает при завершении процесса автоматическое закрытие всех

открытых им файлов.

Синтаксис и семантика системных вызовов, связанных с чтением/

записью и поиском данных в файле, зависит от логической структуры

файла. Логические структуры виртуальных файлов прежде всего можно

подразделить на байт–ориентированные и записе–ориентированные.

Байт–ориентированные файлы представляются как линейная

последовательность байтов без какого-либо дополнительного

205

структурирования. API байто–риентированных файлов обеспечивается

тремя основными системными вызовами:

read(handle,vAddr, byteCounter);

write(handle, vAddr, byteCounter);

seek (handle, offset, form).

Здесь vAddr – адрес той области в виртуальном адресном пространстве

процесса, с которой происходит обмен. За одну операцию обмена читается

или пишется заданное byteCounter количество байтов. К байт–

ориентированным файлам обеспечивается произвольный доступ, для чего

вводится понятие файлового курсора – номера того байта файла, который

будет читаться/записываться следующим. По умолчанию при открытии

файла курсор устанавливается на начало файла и сдвигается при каждой

операции read/write на byteCounter. Но системный вызов seek

дает процессу возможность установить курсор в произвольную позицию,

причем смещение offset может задаваться как от начала файла, так и от

его конца или от текущей позиции курсора (это задается параметром

from). Возможен также сервисный системный вызов, возвращающий

текущее положение курсора. Системный вызов read должен адекватно

реагировать на попытку чтения данных за концом файла. Стандартным

решением является возврат этим вызовом числа прочитанных байт – при

достижении конца файла возвращаемое значение будет меньше, чем

byteCounter.

Безусловно, байт–ориентированная организация является наиболее

универсальной из всех возможных, так как на неструктурированную

последовательность байтов приложение может наложить любую

собственную логическую структуру. Приведем пример, наверняка

известный читателю: MS DOS поддерживает только байт–

ориентированную организацию файлов, но системы программирования

206

Pascal (приложения в MS DOS) обеспечивают работу с файлами,

состоящими из записей – тип данных file of... Байт–

ориентированные файлы являются единственной логической файловой

структурой, поддерживаемой ОС Unix, и "с подачи" этой системы они

включены в стандарт на переносимость ОС.

Альтернативной файловой организацией является записе–

ориентированная. Записе–ориентированные файлы поддерживает фирма

IBM в нескольких поколениях своих ОС для ЭВМ средней и большой

мощности. В таких файлах единицей обмена является запись – порция

данных, состоящая из одного или нескольких байтов и, возможно, имеющая

свою внутреннюю структуру. Имеется целый ряд методов логической

организации записе–ориентированных файлов.

Последовательные файлы – файлы, ориентированные на обработку

запись за записью: от первой записи до последней. Синтаксис и семантика

системных вызовов read и write для таких файлов такие же, как и для

байт–ориентированных, но объем данных задается количеством записей, а

не байтов. Произвольное позиционирование файлового курсора для

последовательных файлов невозможно, но система может предоставлять

системные вызовы для сдвига на запись вперед или назад.

Последовательные файлы могут состоять из записей фиксированной или

переменной длины. В последнем случае либо длина входит в состав

записи, как одно из ее полей, либо запись содержит специальный код –

признак конца записи.

Файлы прямого доступа – предполагается, что для каждой записи

файла имеется логическая идентификация или ключ (key). Доступ

производится к произвольной записи файла с указанием ее ключа.

Системные вызовы для чтения записи имеют вид:

keyRead (handle, key, vAdd);

keyWrite (handle, key, vAdd).

207

Выполнение такого вызова включает в себя позиционирование файлового

курсора на запись, определяемую ключом key, и собственно обмен. Ключ может

входить в состав записи как одно из ее полей (например, поле фамилии в списке

личного состава) или не содержаться в составе записи (например, ключ – порядковый

номер записи).

Файлы комбинированного доступа допускают как прямой доступ по

ключу (keyRead/keyWrite), так и последовательный (read/write) в

порядке возрастания ключей. Системный вызов, например, для чтения по

ключу 'Коваль' обеспечит считывание записи, относящейся к

сотруднику Ковалю, последующие системные вызовы последовательного

чтения будут считывать записи, относящиеся к сотрудникам, следующим

за Ковалем в принятом (например, в алфавитном) порядке.

Какой организации отдать предпочтение: байт– или записе–

ориентированной? Как мы уже отмечали, байт–ориентированная

организация гибче, но при ней задача структурирования файла

перекладывается на приложения – а задача эта не всегда простая. Фирма

IBM, не желая, с одной стороны, отказываться от преимуществ записе–

ориентированной организации, а с другой, – желая обеспечить

совместимость своих ОС со стандартами, обеспечивает поддержку обеих

структур, и такое решение представляется нам оптимальным.

Интересной, хотя пока несколько экзотической формой файлов

являются файлы отображаемого доступа. Такие файлы при открытии

отображаются в виртуальное адресное пространство процесса. Операция

open может возвращать дескриптор сегмента в виртуальной памяти, и в

дальнейшем все манипулирование с данными файла будет выполняться,

как манипулирование с данными в памяти. Хотя такое решение является

весьма элегантным, его реализация требует значительного расширения

разрядности представления виртуального адреса и реализуется пока только

в 64-разрядных клонах Unix.

208

7.3. Логическая файловая система. Каталоги

Логическая ФС рассматривает файл как единицу хранения. Удачным

нам представляется сравнение логической ФС с библиотекарем, который

не должен знать содержание книги (файла), но обязан уметь быстро найти

требуемую книгу в книгохранилище. Как бы продолжая это сравнение,

файловые справочники ОС носят названия каталогов (catalog) или

оглавлений (directory).

Файловые справочники (и это естественно) располагаются на тех же

носителях, что и файлы данных. Первоначально с каждой единицей

сменного носителя (пакет магнитных дисков, бобина магнитной ленты)

жестко связывался свой единственный справочник, и смена носителя

вызывала смену справочника. Такая единица сменного носителя получила

название тома (volume). Дальнейшее развитие вычислительных систем

привело с одной стороны к увеличению объемов несменяемых носителей,

так что несколько их единиц могут составлять один том, с другой – к

практике разбиения одного физического носителя на несколько логических

томов. Таким образом, мы определяем том как часть внешней памяти

вычислительной системы, имеющую собственный справочник (каталог).

Ниже мы рассмотрим вначале логическую структуру хранения файлов на

отдельном томе, а затем – интеграцию томов.

Элемент каталога содержит как минимум символьное имя файла и

адрес его дескриптора, иногда дескриптор файла может непосредственно

входить в элемент каталога.

Прежде чем переходить к структурам каталогов, остановимся на

именовании файлов. Каждый файл имеет символьное имя, которое

позволяет пользователю обращаться к данному конкретному файлу.

Каждая ОС устанавливает собственные соглашения о формировании имен.

209

Как правило, эти соглашения допускают или даже требуют разделения

имени файла на составные части – компоненты. При записи символьного

имени его компоненты обычно разделяются точкой. Разные ОС

накладывают разные ограничения на количество и длины компонентов

имени: от двухкомпонентных имен с компонентами ограниченной длины

до неограниченного их числа и практически неограниченной длины.

Некоторые ОС резервируют одну из составляющих имени файла в

качестве описателя типа информации, хранящейся в файле. Даже если ОС

не предъявляет дополнительных требований к именованию, пользователи

применяют составные имена файлов как средство структурирования

хранения своей информации. Для ОС, работающих с

многокомпонентными именами, распространенной является практика

применения "символа-джокера", обычно – '*' или '&'. Употребление

джокера вместо одного из компонентов имени обеспечивает выполнение

системных вызовов, адресованных логической ФС, как групповых

операций, – над всеми файлами с любыми значениями этой составляющей

имени.

Каталоги файлов выполняют две функции: обеспечивают поиск

файлов и структурирование хранения информации.

Простейшей структурой каталога является плоский (flat) каталог.

Информация обо всех файлах сведена в одну таблицу и поиск файла

сводится к поиску в этой таблице – линейному или двоичному, если

таблица упорядочена. Такая структура каталога не допускает, чтобы файлы

имели одинаковые имена. Плоская структура не выполняет второй

функции каталога – структурирования хранения и может быть

эффективной только для ОС, работающих с томами носителей небольшого

объема, когда том содержит файлы, принадлежащие одному пользователю.

Если том содержит файлы, принадлежащие разным пользователям, то

возможны конфликты имен – назначение разными пользователями

210

одинаковых имен для своих файлов. Даже если такие конфликты

предотвращаются (за счет многокомпонентных имен), то остается

существенный недостаток: каталог открыт для чтения всем пользователям,

а в некоторых случаях даже список имен файлов пользователя может быть

его конфиденциальной информацией.

Простейшим решением разделения файлов между пользователями

(или по другим признакам) является двухуровневая структура каталога. В

этой структуре каждый пользователь имеет собственный каталог. Каталог

именуется по правилам именования файлов, его имя также может быть

составным. В такой структуре возникают понятия полного и локального

имен файла. Полное имя файла состоит из имени каталога и имени файла в

каталоге. Обычно эти имена разделяются наклонной чертой '\' или '/'.

Вторая часть полного имени является локальным именем файла. На томе

не может быть двух файлов, имеющих одинаковые полные имена, но

файлы с одинаковыми локальными именами могут находиться в разных

каталогах. Для сокращения именования файлов процесс может сообщить

ОС устанавливаемое по умолчанию имя каталога. Каталог, имя которого

устанавливается по умолчанию, называется рабочим, или текущим. К

файлам в текущем каталоге процесс может обращаться по локальным

именам, к файлам в других каталогах – только по полным именам.

Нетрудно распространить двух- или трехуровневую структуру

каталога на произвольное число уровней – каталог приобретает

древовидную или иерархическую структуру. Пример такой структуры

показан на рисунке 7.2. Иерархическая структура каталогов практически

исключает возможность конфликта имен. Полное имя файла складывается

из перечисления через '/' всего пути (path) от корневого каталога,

имеющего имя '/', до данного файла, например:

/system/utility/disks/anti/test1