Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Каждая активная запись этой таблицы, представляющая открытый файл, адресует запись системной файловой таблицы (system file table), в которой хранятся такие параметры, как режим доступа к файлу (запись, чтение, добавление и т.д.), текущее смещение в файле (файловый указатель), а также указатель па vnode этого файла. Системная файловая таблица одна и совместно используется всеми процессами.

Как следует из рис. 4.12, несколько записей системной файловой таблицы могут адресовать один и тот же файл, который представлен единственной записью в таблице vnode.

Файловые дескрипторы

Файловый дескриптор представляет собой неотрицательное целое число, возвращаемое системными вызовами, такими как creat(2), open(2) или pipe(2). После получения файлового дескриптора процесс может использовать его для дальнейшей работы с файлом, например с помощью системных вызовов read(2), write(2), close(2) или fcntl(2).

Ядро обеспечивает работу процесса с файлами, используя различные структуры данных, часть из которых расположена в u-area процесса. Напомним, что эта область описывается структурой user. В табл. 4.7 приведены поля структуры user, которые используются ядром для обеспечения доступа процесса к файлу.

Таблица 4.7. Поля структуры user, связанные с файловым дескриптором

Поле Описание u_ofile Указатель на системную файловую таблицу u_pofile Флаги файлового дескриптора

Файловый дескриптор связан с этими двумя полями и, таким образом, обеспечивает доступ к соответствующему элементу файловой таблицы (структуре данных file).

В настоящее время в качестве единственного флага файлового дескриптора определен флаг FD_CLOEXEC. Если этот флаг установлен, то производится закрытие файлового дескриптора (аналогично явному вызову close(2)) при выполнении процессом системного вызова exec(2)). При этом для запущенной программы не происходит наследования файлового дескриптора и доступа к файлу.

Более старые версии UNIX используют статическую таблицу дескрипторов, которая целиком хранится в u-area. Номер дескриптора является индексом этой таблицы. Таким образом, размер таблицы, которая обычно содержит 64 элемента, накладывает ограничение на число одновременно открытых процессом файлов. В современных версиях таблица размещается динамически и может увеличиваться при необходимости. Следует, однако, иметь в виду, что и в этом случае максимальное число одновременно открытых файлов регламентируется пределом RLIMIT_NOFILE, который рассматривался в разделе "Ограничения" главы 2. В некоторых версиях, например, Solaris 2.5, данные файловых дескрипторов хранятся не в виде таблицы, а в виде блоков структур uf_entry, поля которой аналогичны приведенным в табл. 4.7.

Содержимое таблицы дескрипторов процесса можно посмотреть с помощью утилиты crash(1M). Команда user покажет содержимое u-area процесса. Например, для текущего командного интерпретатора мы получим следующую информацию:

# crash

> proc #8591

PROC TABLE SIZE = 1498

SLOT ST  PID PPID PGID  SID UID PRI NAME FLAGS

 121  s 8591 8589 8591 8591 286  48 bash load jctl

> user 121

PER PROCESS USER AREA FOR PROCESS 121

PROCESS MISC:

 command: bash, psargs: -bash

 start: PO Mon 24 18:11:31 1997

 mem: 1ebc, type: exec

 vnode of current directory: f5b95e40

OPEN FILES, POFILE FLAGS, AND THREAD REFCNT:

  [0] : F 0xf62b6030, 0, 0 [1] : F 0xf62b6030, 0, 0

  [2] : F 0xf62b6030, 0, 0

 cmask: 0022

RESOURCE LIMITS:

 cpu time: unlimited/unlimited

 file size: unlimited/unlimited

 swap size: 2147479552/2147479552

 stack size: 8388608/2147479552

 coredump size: unlimited/unlimited

 file descriptors: 64/1024

 address space: unlimited/unlimited

SIGNAL DISPOSITION:

...

Файловая таблица

Поля файлового дескриптора u_ofile и u_pofile содержат начальную информацию, необходимую для доступа процесса к данным файла. Дополнительная информация находится в системной файловой таблице и таблице индексных дескрипторов. Для обеспечения доступа процесса к данным файла ядро должно полностью создать цепочку от файлового дескриптора до vnode и, соответственно, до блоков хранения данных, как показано на рис. 4.12.

Каждый элемент файловой таблицы содержит информацию, необходимую для управления работой с файлом. Если несколько процессов открывают один и тот же файл, каждый из них получает собственный элемент файловой таблицы, хотя все они будут работать с одним и тем же файлом. Важнейшие поля элемента файловой таблицы приведены ниже:

Поле Описание f_flag Флаги, указанные при открытии файла (системные вызовы open(2), creat(2)). Каждая операция с файлом проверяется на допустимость согласно указанным режимам. Другими словами, если процесс открыл файл только для чтения (флаг FREAD), ему будет отказано в операции записи, даже если он имеет на это необходимые права доступа. FREAD Файл открыт только для чтения. То же, что и O_RDONLY при открытии файла. FWRITE Файл открыт только на запись. То же, что и O_WRONLY при открытии файла. FAPPEND Режим добавления. Перед началом операции записи файловый указатель будет установлен в конец файла. То же, что и O_APPEND при открытии файла. FNONBLOCK, FNDELAY Возврат без блокирования. Системный вызов не будет ожидать завершения операции. То же, что и O_NONBLOCK или O_NDELAY при открытии файла. FSYNC Обеспечить синхронизацию с соответствующими дисковыми структурами для метаданных и данных файла при совершении операции записи. То же, что и O_SYNC при открытии файла. FDSYNC Обеспечить синхронизацию с соответствующими дисковыми структурами только для данных файла при совершении операции записи. То же, что и O_DSYNC при открытии файла. FRSYNC Совместно с флагами FSYNC и FDSYNC определяет процесс синхронизации для соответствующих компонентов файла при операции чтения. f_count Число файловых дескрипторов, адресующих данный элемент файловой таблицы. Один и тот же элемент файловой таблицы может совместно использоваться при дублировании дескрипторов с помощью системного вызова dup(2) или в результате fork(2). f_vnode Указатель на виртуальный индексный дескриптор файла. f_offset Текущее смещение в файле. Начиная с этого места будет произведена следующая операция чтения или записи.

Для иллюстрации обсуждения продолжим работу с утилитой crash(1M). С помощью команды user в предыдущем разделе были получены адреса элементов файловой таблицы для стандартного ввода (fd=0), вывода (fd=1) и вывода сообщений об ошибках (fd=2). Заметим, что все они указывают на один и тот же элемент. С помощью команды file исследуем его содержимое:

> file 0xf62b6030

ADDRESS  RCNT TYPE/ADDR     OFFSET FLAGS

f62b6030    9 SPEC/f5e91c1c  15834 read write

> vnode f5e91c1c

VCNT VFSMNTED     VFSP  STREAMP VTYPE RDEV     VDATA VFILOCKS VFLAG

   2        0 f0286570 f5c6b2a0 c     24,26 f5e91c18        0 -

Поскольку это специальный файл устройства (об этом свидетельствует поле TYPE элемента файловой таблицы), поле v_data (VDATA) vnode указывает не на inode файловой системы ufs, а на snode — индексный дескриптор логической файловой системы specfs, обслуживающей специальные файлы устройств. Более подробно этот интерфейс будет рассматриваться в следующей главе. Таким образом, для продолжения путешествия по структурам данных ядра, следует обратиться к snode, адрес которого указан в поле VDATA.

> snode f5e91c18

SNODE TABLE SIZE = 256