Операционные системы (стр. 7 из 11)
Блоки файлов. Размер пространства блоков файлов определен однозначным образом за счет информации в суперблоке.
Область сохранения процессов. Хотя эта область изображена за блоками файлов, но она может быть размещена и в некотором файле файловой системы или на произвольном месте других ВЗУ. Это зависит от конкретной реализации системы. По сути, эта область является полезной областью, в которую происходит откачка процессов, а также эта область используется для оптимизации запуска наиболее часто используемых процессов с использованием, так называемого, t-бита файла (подробнее об этом будет рассказано позже).
Итак, мы с вами рассмотрели структуру файловой системы и ее организацию на системном устройстве. Как любая системная конструкция, структура файловой системы и связанные с ней алгоритмы работы просты настолько, чтобы при работе с ними накладные расходы не выходили за пределы разумного. Файловая система UNIX-а при реальной работе заведомо оптимальнее файловой системы Windows NT (сравните даты разработок!!!), за счет простоты и оптимизации, которая встречается на каждом шагу.
Каталоги
Мы с вами говорили, что одним из свойств операционной системы UNIX является то, что вся информация размещается в файлах, т.е. нет каких-то специальных таблиц, которыми пользуется операционная система, за исключением тех таблиц, которые она создает, уже функционируя в пространстве оперативной памяти. Каталог, с точки зрения файловой системы, - это файл, в котором размещены данные о тех файлах, которые принадлежат каталогу.
В каталоге А содержаться файлы В, С и D, несмотря на то, что файлы В и С могут быть как файлами, так каталогами, а файл D является каталогом.Каталог состоит из элементов, которые содержат два поля. Первое поле - номер индексного дескриптора, второе поле - это имя файла, которое ассоциировано с данным индексным дескриптором. Номера индексных дескрипторов (в пространстве индексных дескрипторов) начинаются с единицы. Первый индексный дескриптор - индексный дескриптор каталога. В общем случае в каталоге могут встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же индексный дескриптор, но в каталоге не могут быть записи, имеющие одинаковые имена. Имя в пределах каталога уникально, но с содержимым файла может ассоциироваться произвольное количество имен. Поэтому есть некоторая неоднозначность в определении понятия файл в операционной системе UNIX. Файл оказывается не просто именованным набором данных: у него есть индексный дескриптор и может быть несколько имен (т.е. имя - вторичная компонента).
При создании каталога в нем всегда создаются две записи: запись на специальный файл с именем «.» (точка), с которым ассоциирован индексный дескриптор самого каталога, и файл «..» (две точки), с которым ассоциируется индексный дескриптор (ИД) родительского каталога. Для нашего примера каталог А имеет, например, ИД с номером 7, а каталог D имеет ИД с номером 5. Файл F имеет ИД №10, файл G имеет ИД №101. В этом случае файл-каталог D будет иметь следующее содержимое:
| Имя | №ИД | ||
| «.» | 5 | Первая запись - запись на самого себя. | |
| «..» | 7 | Вторая запись - на родителя (каталог А). | |
| «F» | 10 | Далее перечислены файлы, которые находятся в этом каталоге. | |
| «G» | 101 | Вот таким будет содержимое каталога D. | |
Отличие файла-каталога от обычных файлов пользователя заключается в содержимом поля типа файла в ИД. Для корневого каталога поле родителя будет ссылаться на него самого.
Теперь схематически рассмотрим, как могут использоваться полные имена и структура каталогов. В системе, в каждый момент времени работы пользователя определен текущий каталог, то есть каталог и весь путь от корня, связанный с этим каталогом, который по умолчанию подставляется ко всем именам файлов, не начинающихся с символа «/». Если текущий каталог D, то можно говорить просто о файлах F и G, а если надо добраться до файла В, то необходимо использовать полное имя или специальный файл «..», т.е., в данном случае, конструкцию «../В». Мы ссылаемся на файл «..» - это означает, что нужно прочесть ИД родителя и по нему добраться до содержимого каталога А. Затем в файле-каталоге А надо выбрать строку с именем В и определить ИД файла В, а затем произвести открытие файла. Вся эта операция довольно трудоемка, однако учитывая то, что файлы открываются не часто, это не будет сказываться на скорости работы системы.
Мы говорили, что с одним и тем же содержимым может ассоциироваться несколько имен, т.е. одновременно могут быть открыты файлы с одним и тем же ИД. Возникает проблема - как синхронизируется работа с содержимым файла в случае его открытия разными процессами или с разными именами. В UNIX-е это решается достаточно корректно (это мы рассмотрим несколько позже).
Специальные файлы устройств
Мы уже знаем два типа файлов: файлы-каталоги и рабочие файлы, в которых хранятся данные. Есть третья разновидность - файлы устройств. Эта разновидность характеризуется типом, указанным в ИД. Содержимого у файлов устройств нет, а есть только ИД и имя. В ИД указывается информация о том, какой тип устройства ассоциирован с этим файлом: байт-ориентированное устройство или блок-ориентированное устройство. Байт-ориентированное устройство - это то устройство, обмен с которым осуществляется по одному байту (например, клавиатура). Блок-ориентированное устройство - это устройство, с которым обмен может осуществляться блоками.
Также имеется поле, определяющее номер драйвера, связанного с этим устройством (у одного устройства может быть несколько драйверов, но не наоборот). Это поле, на самом деле, есть номер в таблице драйверов соответствующего класса устройств. В системе имеются две таблицы: для блок- и для байт-ориентированных устройств. Также в ИД определен некоторый цифровой параметр, который может быть передан драйверу в качестве уточняющего информацию о работе.
Организация обмена данными с файлами
Определим сначала, что является низкоуровневым вводом/выводом в системе. В файловой системе UNIX-а определены некоторые специальные функции, которые называются системными вызовами. Системные вызовы осуществляют непосредственное обращение к операционной системе, то есть это функции, выполняющие некоторые действия операционной системы. Реализация системных и библиотечных функций (например, математических) в корне отличается. Если библиотечная функция будет подгружена в тело процесса, который пользуется этой библиотекой, то все действия в большинстве случаев будут выполняться в пределах этого процесса, а системный вызов сразу же передает управление операционной системе и она выполняет заказанное действие. В UNIX-е для обеспечения низкоуровнего ввода/вывода, т.е. ввода/вывода, который реализуется посредством системных вызовов, имеется набор функций. Вот основные из них:
1. open - Открытие имеющегося файла. Одним из параметров этой функции является строка с именем файла, а возвращает она некоторое число, которое называется дескриптором файла. В теле процесса пользователя, а также в данных, ассоциированных с этим процессом, размещается (кроме кода и данных, разумеется) некоторая служебная информация, в частности, таблица файловых дескрипторов. Она, как и все таблицы в системе UNIX, позиционная, т.е. номер дескриптора соответствует 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.