Храмцов П.Б. Открытые системы

Подождите немного. Документ загружается.

Файлы. Основные понятия.

В трактовке стандарта POSIX понятие файла охватывает все, что

может содержать, потреблять и/или поставлять информацию. В

объектно-ориентированной терминологии файл должен предоставлять

методы для чтения и/или записи и иметь такие атрибуты, как тип, имя и

режим.

В стандарте зафиксированы следующие типы файлов:

• обычный файл;

• каталог;

• канал;

• символьный специальный файл;

• блочный специальный файл;

• символьная ссылка;

• сокет.

Обычный файл представляет собой последовательность байт с

возможностью случайного доступа и без какой-либо дополнительной

структуры, наложенной операционной системой.

Каталог состоит из элементов (ссылок), ассоциирующих имена с

файлами. Одинаковые имена не могут фигурировать в разных элементах

одного каталога, но разные элементы могут ссылаться на один и тот же

файл.

Канал можно представлять себе в виде транспортера, с одной

стороны которого находится поставщик (процесс, пишущий в канал), а с

другой - потребитель (процесс, читающий из канала). Данные читаются

в том же порядке, в каком производилась запись, т. е. с точки зрения

структур данных канал - это очередь.

Специальные файлы соответствуют аппаратным компонентам

компьютера. Обычно при использовании символьных специальных

файлов остаются видимыми аппаратные характеристики

соответствующих устройств, а при доступе к устройствам посредством

блочных специальных файлов аппаратные характеристики, как правило,

остаются скрытыми. Типичный пример устройства, которому

соответствует символьный специальный файл, - терминал.

Символьная ссылка - это файл, хранящий цепочку символов.

Когда подобный файл является компонентом маршрутного имени (см.

далее), хранимая цепочка символов влияет на результирующий

маршрут. Обычно ссылка раскрывается (прозрачным для приложений

образом), т. е. вместо ее имени подставляется содержимое (цепочка

символов).

Сокет - это оконечная точка межпроцессных коммуникаций.

Файлы вместе со служебной информацией, хранящейся в

объектах, которые называются описателями файлов, объединяются в

иерархическую структуру (направленный граф), именуемую файловой

системой. Все неконцевые вершины графа (т. е. вершины, откуда

выходит хотя бы одна дуга) являются каталогами; все концевые имеют

другие типы.

Согласно стандарту POSIX-2001, для каждого процесса определен

корневой каталог с именем / - вершина графа, из которой

осуществляется доступ к прочим файлам данной файловой системы.

"Абсолютного", единого для всех корня может и не существовать.

В пределах файловой системы каждый файл имеет уникальный

идентификатор (порядковый номер - он же номер описателя файла).

Имена, ассоциируемые с файлами (точнее, с их порядковыми

номерами) посредством каталогов, называются простыми. С

формальной точки зрения они могут включать любые символы, кроме

слэша (/), однако для повышения мобильности приложений стандарт

рекомендует ограничиться латинскими буквами, цифрами, а также

символами ., _, - (точка, подчеркивание, минус), причем минус не

должен быть первым символом. В соответствующей стандарту

операционной системе сохраняется различие между большими и

малыми буквами.

(При использовании в именах файловнекоторых других символов

довольно часто возникают проблемы. Укажем лишь на часть из них.

Символы национальных алфавитов создают трудности с

отображением имен. Символы, имеющие специальный смысл для

командного интерпретатора, могут вызвать неожиданные и

нежелательные модификации имен. Символ : (двоеточие) в имени

каталога способен нарушить нормальную интерпретацию значения

переменной окружения PATH. Минус в качестве первого символа

придает имени файла вид комбинации опций, нарушая процесс разбора

аргументов утилит. И т.д, и т.п.)

В каждом каталоге должны присутствовать имена . (точка) и .. (по

стандарту читается как точка-точка), которые трактуются как ссылки на

текущий и вышележащий каталоги. Для корневого каталога имя .. может

также ссылаться на корень.

Под маршрутным именем понимается цепочка символов,

идентифицирующая файл и состоящая из нескольких (в том числе из

нуля) простых имен файлов, разделенных символами / и называемых

компонентами маршрута. Маршрутные имена, начинающиеся

символом /, называются абсолютными, они задают маршрут от корня

файловой системы. (Отметим, что стандарт POSIX-2001 определяет

трактовку маршрутных имен, начинающихся с двух символов /, как

зависящую от реализации. В частности, таким способом в некоторых ОС

задаются имена файлов на других хостах сети.)

Прочие имена называются относительными, маршрут в них задан

относительно текущего каталога.

Маршрутным префиксом называется маршрутное имя,

ссылающееся на каталог. Если маршрутное имя оканчивается символом

/, оно обязано быть маршрутным префиксом.

Маршрутные имена называют также составными именами

файлов. Примеры составных имен:

/.autofsck

/usr/lib/tcl

../susv3

./l4.txt

Первые два имени являются абсолютными. файл .autofsck лежит

в корневом каталоге, файл tcl - в подкаталоге lib подкаталога usr

корневого каталога. Третье и четвертое - относительные имена,

специфицирующие, соответственно, файл susv3, расположенный в

иерархии на один уровень выше файлов текущего каталога, и файл

l4.txt из текущего каталога. Последнее маршрутное имя можно было

задать и проще:

l4.txt

Стандарт POSIX определяет процесс разрешения маршрутных

имен, компонентами которых являются символьные ссылки. Если такая

ссылка - последний компонент, а затребованная функция относится к

самой ссылке, имя остается без изменений. В противном случае ссылка

раскрывается: вместо соответствующего компонента подставляется

хранимая цепочка символов, и процесс разрешения маршрутного имени

продолжается. Если он зацикливается или нарушает какие-либо

ограничения (например, на длину маршрутного имени или количество

раскрытых ссылок), операционная система должна зафиксировать

ошибку.

Согласно стандарту, с каждым файлом ассоциирована по крайней

мере следующая служебная информация:

• режим - объект, содержащий биты режима и тип файла;

• числовой идентификатор владельца-пользователя;

• числовой идентификатор владеющей группы.

Типы файлов мы рассматривали выше. Биты режима

подразделяются на биты режима доступа, бит переустановки

идентификатора пользователя (этот и следующий биты будут описаны

при рассмотрении процессов), бит переустановки идентификатора

группы, а также бит ограничения на удаление элементов каталогов

(последняя возможность относится к числу необязательных).

Биты режима доступа, вместе с другими атрибутами, определяют,

имеет ли процесс, действующий от имени некоторого пользователя,

право на соответствующие операции с файлом.

По отношению к конкретному файлу все пользователи делятся на

три категории:

• владелец файла;

• члены владеющей группы;

• прочие пользователи.

Для каждой из них режим доступа определяет права на операции с

файлом, а именно:

• право на чтение;

• право на запись;

• право на выполнение (для каталогов - право на поиск).

Указанных видов прав достаточно, чтобы определить

допустимость любой операции с файлами. Например, для удаления

файла необходимо иметь право на запись в соответствующий каталог

(если не используется бит ограничения на удаление элементов

каталогов).

Стандарт POSIX предусматривает реализацию дополнительных

и/или альтернативных механизмов контроля доступа в операционной

системе. Дополнительные механизмы ужесточают стандартный

контроль, альтернативные заменяют его.

Выполнение большинства операций с файлами требует их

открытия. Открытому файлу соответствует файловый дескриптор -

неотрицательное целое число, уникальное в пределах процесса и

используемое для целей доступа к файлу. Дескриптор является ссылкой

на описание открытого файла, хранящее смещение в файле, его статус,

режимы доступа. Разные дескрипторы могут ссылаться на одно

описание.

Вероятно, все версии ОС Unix поддерживают понятие

монтирования - отождествление корня дополнительной файловой

системы с некоторым каталогом в существующей иерархии (этот

каталог называется точкой монтирования) и формирования таким

образом объединенной файловой системы. В стандарте POSIX-2001

понятие монтирования, равно как и необходимые для его поддержки

служебные программы и функции, отсутствуют. Причина - зависимость

от реализации.

Получение информации о файлах и файловых системах

Чтобы узнать абсолютное маршрутное имя текущего каталога,

приложение может воспользоваться упоминавшейся ранее обычной

встроенной командой языка shell

pwd [-L | -P]

#include <unistd.h>

char *getcwd (char *buf, size_t size);

Листинг 4.1. Описание функции getcwd().

Команда pwd с (подразумеваемой) опцией -L извлекает имя

текущего каталога из переменной окружения PWD, если это возможно.

Посредством опции -P выполняется раскрытие символьных ссылок: в

выдаваемом на стандартный вывод абсолютном маршрутном имени

вместо символьных ссылок подставляется их содержимое.

Функция getcwd() помещает абсолютное маршрутное имя

текущего каталога (без символьных ссылок) в массив buf длины size,

который и возвращается в качестве результата (при ошибке результат

равен NULL).

Приведем пример программы, использующей функцию getcwd()

(см. листинг 4.2).

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int main (void) {

size_t size;

char *buf;

char *apath;

/* Выясним, каким должен быть размер буфера */

/* для абсолютного маршрутного имени текущего каталога */

size = (size_t) pathconf (".", _PC_PATH_MAX);

if ((buf = (char *) malloc (size)) == NULL) {

fprintf (stderr, "\nНе удалось выделить буфер размера %d\n", size);

return 1;

}

if ((apath = getcwd (buf, size)) == NULL) {

fprintf (stderr, "\nНе удалось определить абсолютное маршрутное

имя текущего каталога\n");

return 1;

}

printf ("\nАбсолютное маршрутное имя текущего каталога: %s\n",

apath);

return 0;

}

Листинг 4.2. Пример использования функции getcwd().

Обратим внимание на применение функции pathconf(),

возвращающей текущее значение одного из конфигурируемых

параметров целевой системы - в данном случае максимальную длину

маршрутного имени. Подобный прием характерен для мобильных

приложений.

Для выдачи на стандартный вывод информации о файлах всех

типов служит утилита

ls [опция ...] [файл ...]

(напомним, что в квадратные скобки заключаются необязательные

аргументы). Как правило, если в качестве файла задано имя каталога, то

выводится информация обо всех содержащихся в нем файлах.

Опции управляют порядком и степенью подробности выдаваемой

информации о файлах. Если опции не заданы, выводятся только имена

файлов. Если не заданы файлы, выдается информация о файлах

текущего каталога. Опция -l предписывает выводить подробную

информацию. Например, при использовании служебной программы ls по

команде

ls -l /

может быть выдано следующее (см. листинг 4.3):

total 338

drwxrwxr-x 2 root root 4096 Jul 6 13:31 a

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 8 13:32 bin

drwxr-xr-x 4 root root 1024 Jul 6 15:06 boot

drwxrwxr-x 2 root root 4096 Jul 6 13:31 cdrom

drwxr-xr-x 18 root root 86016 Sep 2 10:42 dev

drwxr-xr-x 6 root root 4096 Feb 23 2003 dss

drwxr-xr-x 60 root root 4096 Sep 2 10:42 etc

drwxr-xr-x 20 root root 4096 Jul 15 18:00 home

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jun 12 2001 initrd

drwxr-xr-x 8 root root 4096 Aug 8 13:16 lib

drwx------ 2 root root 16384 Jul 6 14:15 lost+found

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 1 2002 misc

drwxr-xr-x 5 root root 4096 Jul 6 11:24 mnt

drwxr-xr-x 7 root root 4096 Jul 23 13:09 opt

dr-xr-xr-x 84 root root 0 Sep 2 2003 proc

drwxr-x--- 5 root root 4096 Sep 1 17:10 root

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 11 17:38 sbin

drwxrwxrwt 23 root root 8192 Sep 2 12:43 tmp

drwxr-xr-x 14 root root 4096 Jul 15 12:50 usr

drwxr-xr-x 16 root root 4096 Jul 9 16:22 var

Пример 4.3. Возможный результат использования служебной

программы ls

Число в первой строке есть суммарный размер (в блоках по 512

байт) всех файлов каталога, информация о которых выдана. Далее

следуют строки с информацией об отдельных файлах. Первый символ в

этих строках задает тип файла:

• d - каталог;

• b - блочный специальный файл;

• c - символьный специальный файл;

• l - символьная ссылка;

• p - канал;

• - (минус) - обычный файл.

Отметим, что стандартом POSIX-2001 не предусмотрено

обозначение для сокетов, указано только, что реализации могут вводить

свои типы файлов и обозначения для них.

Девять последующих символов отражают режим доступа к файлу:

первые три символа - права доступа его владельца, следующие три -

владеющей группы, последние три - права доступа прочих

пользователей. Наличие буквы r (чтение), w (запись) или x (выполнение)

означает, что соответствующее право имеется; знак минус

свидетельствует об отсутствии права. Например, файл /usr является

каталогом, куда может писать только пользователь root, а читать и

искать информацию - все остальные.

Следом идет число ссылок на файл (считаются только так

называемые жесткие ссылки, т. е. количество вхождений имени файла в

каталоги). Для каталога оно заведомо не меньше двух (обоснование

этого факта предоставляется читателю).

Следующие два столбца - имена владельца файла и владеющей

группы, после чего идет размер файла в байтах. Для специальных

файлов вместо размера нередко выдается зависящая от реализации

информация о соответствующем устройстве.

Наконец, следуют дата и время последнего изменения и имя

файла. По умолчанию имена файлов сортируются в алфавитном

порядке.

Опишем еще несколько употребительных опций служебной

программы ls.

Ключ Описание

-a

Вывести список всех файлов (обычно не выводятся

данные о файлах, имена которых начинаются с точки).

-C

Выдавать имена файлов в несколько столбцов (с

сортировкой по столбцам). Отметим, что если в командной

строке встречаются пары взаимоисключающих опций

(например, -lC), то действует та, что указана последней.

-d

Трактовать каталоги наравне с файлами других типов.

Часто используется с опцией -l для получения сведений о

состоянии каталога.

-F

Выводить символ / после имен каталогов, * - после

выполнимых файлов, | - после каналов, @ - после

символьных ссылок.

-i

Выдавать порядковый номер файла в файловой

системе (см. выше).

-R Рекурсивно обойти встретившиеся подкаталоги.

-r Изменить порядок сортировки файлов на обратный.

-t

Использовать в качестве первичного ключа

сортировки время последнего изменения (сначала идут

самые свежие файлы); имя служит вторичным ключом.

Обычно символьные ссылки трактуются утилитой ls

наравне с файлами других типов, только на месте имени

выводится комбинацияимя_файла-ссылки ->

содержимое_файла-ссылки. Для получения информации о

файле, на который указывает символьная ссылка, следует

воспользоваться одной из следующих опций.

-L

Если символьная ссылка является аргументом

утилиты ls или встретилась в процессе обхода файловой

иерархии, выдавать информацию об указуемом файле, а не

о ссылке. На месте имени выводится имя файла-ссылки (а

не указуемого файла).

-H

Аналогична -L, но воздействует только на

символьные ссылки, заданные в командной строке и

указывающие на каталог.

Приведем еще несколько примеров употребления утилиты ls.

После выполнения команд, показанных в листинге 4.4, наша Linux-

система выдает информацию определенного вида (см. листинг 4.5):

cd /usr/share/zoneinfo/posix

ls -il UTC Universal Zulu

Листинг 4.4. Еще один пример использования служебной

программы ls.

2506763 -rw-r--r-- 6 root root 56 Apr 15 2002 UTC

2506763 -rw-r--r-- 6 root root 56 Apr 15 2002 Universal

2506763 -rw-r--r-- 6 root root 56 Apr 15 2002 Zulu

Листинг 4.5. Возможный результат использования служебной

программы ls.

Как и предписывает опция -i, выданы порядковые номера

(уникальные идентификаторы) файлов. Мы видим, что для всех трех

имен они одинаковы (2506763), т. е. эти именассылаются на один и тот

же файл. Поскольку выданное утилитой ls число ссылок равно шести, в

файловой системе имеются еще три (жесткие) ссылки на данный файл.

Полезно сопоставить команды и результаты, показанные в

листингах 4.4 и 4.5, с теми, что приведены в листингах 4.6 и 4.7.

cd /bin

ls -il ex rvi rview vi view

Листинг 4.6. Применение служебной программы ls для выдачи

информации о символьных ссылках.

4849722 lrwxrwxrwx 1 root root 2 Jul 6 14:17 ex -> vi

4849723 lrwxrwxrwx 1 root root 2 Jul 6 14:17 rvi -> vi

4849724 lrwxrwxrwx 1 root root 2 Jul 6 14:17 rview -> vi

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 vi

4849726 lrwxrwxrwx 1 root root 2 Jul 6 14:17 view -> vi

Листинг 4.7. Возможный результат использования служебной

программы ls при выдаче информации о символьных ссылках.

Все пять файлов - аргументов командной строки (четыре

символьные ссылки и один обычный файл) имеют разные порядковые

номера и, следовательно, являются разными файлами (на каждый

имеется лишь по одной жесткой ссылке). Для символьных ссылок

выдана информация о них, а не об указуемых файлах. Если же добавить

опцию -L, мы получим сведения об указуемом файле (vi) в пяти

экземплярах, но на месте имен будут фигурировать имена символьных

ссылок (см. листинг 4.8).

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 ex

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 rvi

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 rview

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 vi

4849725 -rwxr-xr-x 1 root root 386120 Mar 8 2002 view

Листинг 4.8. Возможный результат использования служебной

программы ls при выдаче информации о символьных ссылках и

наличии опции -L.

Данные о специальных файлах (см. листинг 4.9) могут выглядеть

так, как показано в листинге 4.10.

ls -l /dev/ttyp[0-3] /dev/fd[2-5]

Листинг 4.9. Пример использования служебной программы ls

для выдачи информации о специальных файлах.

brw-rw---- 1 root floppy 2, 2 Apr 1 2002 /dev/fd2

brw-rw---- 1 root floppy 2, 3 Apr 1 2002 /dev/fd3

brw-rw---- 1 root floppy 2, 128 Apr 1 2002 /dev/fd4

brw-rw---- 1 root floppy 2, 129 Apr 1 2002 /dev/fd5

crw-rw-rw- 1 root root 3, 0 Sep 2 17:21 /dev/ttyp0

crw-rw-rw- 1 root tty 3, 1 Apr 1 2002 /dev/ttyp1

crw-rw-rw- 1 root tty 3, 2 Apr 1 2002 /dev/ttyp2

crw-rw-rw- 1 root tty 3, 3 Apr 1 2002 /dev/ttyp3

Листинг 4.10. Возможный результат использования служебной

программы ls при выдаче информации о специальных файлах.

Для специальных файлов вместо размера выдаются так

называемые старший и младший номера, однозначно определяющие

соответствующее устройство; наличие такой возможности, разумеется,

зависит от реализации.

Сведения о файлах-каналах могут выглядеть так, как показано в

листинге 4.11.

total 0

prw--w---- 1 root root 0 Sep 2 10:42 xdmctl

prw--w---- 1 shmyrev root 0 Sep 2 10:42 xdmctl-:0

Листинг 4.11. Возможный результат использования служебной

программы ls при выдаче информации о каналах.

В листинге 4.12 приведен пример вывода информации о сокетах.

srwx------ 1 shmyrev root 0 Sep 2 10:42 /dev/gpmctl

srw-rw-rw- 1 root root 0 Sep 2 10:42 /dev/log

Листинг 4.12. Возможный результат использования служебной

программы ls при выдаче информации о сокетах.

Опция -t позволяет увидеть сначала те файлы, которые изменялись

позже других. Например, командная строка служебной программы ls

ls -tl /

может выдать следующую информацию (см. листинг 4.13):

total 338

drwxrwxrwt 23 root root 8192 Sep 2 16:26 tmp

dr-xr-xr-x 143 root root 0 Sep 2 14:42 proc

100

drwxr-xr-x 60 root root 4096 Sep 2 10:42 etc

drwxr-xr-x 18 root root 86016 Sep 2 10:42 dev

drwxr-x--- 5 root root 4096 Sep 1 17:10 root

drwxr-xr-x 8 root root 4096 Aug 8 13:16 lib

drwxr-xr-x 7 root root 4096 Jul 23 13:09 opt

drwxr-xr-x 20 root root 4096 Jul 15 18:00 home

drwxr-xr-x 14 root root 4096 Jul 15 12:50 usr

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 11 17:38 sbin

drwxr-xr-x 16 root root 4096 Jul 9 16:22 var

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 8 13:32 bin

drwxr-xr-x 4 root root 1024 Jul 6 15:06 boot

drwx------ 2 root root 16384 Jul 6 14:15 lost+found

drwxrwxr-x 2 root root 4096 Jul 6 13:31 cdrom

drwxrwxr-x 2 root root 4096 Jul 6 13:31 a

drwxr-xr-x 5 root root 4096 Jul 6 11:24 mnt

drwxr-xr-x 6 root root 4096 Feb 23 2003 dss

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 1 2002 misc

drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jun 12 2001 initrd

Листинг 4.13. Возможный результат использования служебной

программы ls с сортировкой файлов по времени последнего

изменения.

Видеть в первую очередь самые свежие файлы полезно в тех

случаях, когда программная система перестала работать и нужно найти

причину поломки, а для этого требуется прежде всего точно узнать, что

же, собственно, изменилось.

При программировании на языке C информацию о файлах

получают с помощью функций семейства stat() (см. листинг 4.14).

#include <sys/stat.h>

int stat (const char *restrict path,

struct stat *restrict buf);

#include <sys/stat.h>

int fstat (int fildes, struct stat *buf);

#include <sys/stat.h>

int lstat (const char *restrict path,

struct stat *restrict buf);

Листинг 4.14. Описание функций семейства stat().

Обратим внимание на использование в описании функций stat() и

lstat() ключевого слова restrict из репертуара C99. Оно означает, что по

указателям-аргументам доступ осуществляется к непересекающимся

областям памяти. Подобная спецификация расширяет оптимизационные

возможности компилятора.

Функция stat() предоставляет информацию о поименованном

файле: аргумент path указывает на маршрутное имя файла. Чтобы

получить эти сведения, достаточно иметь право на поиск для всех

компонентов маршрутного префикса. Функция fstat() сообщает данные