Операционные системы (стр. 8 из 11)
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.