Операционные системы 5 (стр. 14 из 43)

· Чтение данных с устройства.

· Запись данных на устройство.

· Вызов стратегии. Это способ выполнения операций ввода/вывода, характерный для блочных устройств. При этом запрос может быть поставлен в очередь. Запрос в ряде случаев может быть удовлетворен путем обращения к дисковому кэшу (см. п. 2.6.6), без выполнения чтения или записи на устройство.

· Выполнение специальных функций. Набор этих функций зависит от конкретного устройства. Это может быть, например, опрос или установка текущего режима работы устройства, форматирование дорожек диска, перемотка ленты и т.п.

2.10.2. Устройство как специальный файл

Интересной отличительной особенностью UNIX является то, что для работы с периферийными устройствами прикладные программы могут и должны использовать те же средства, что для работы с файлами. Вообще, устройства в UNIX представлены как специальные файлы, вписанные в каталог файловой системы наравне с обычными файлами. Каждому драйверу устройства соответствует отдельный специальный файл, символьный или блочный, в зависимости от типа драйвера. Как правило, все специальные файлы размещаются в каталоге /dev. Чтобы начать работу с устройством, программа должна вызвать функцию открытия файла, указав ей имя специального файла. При этом происходит обращение к функции открытия из драйвера соответствующего устройства.

С каждым специальным файлом связаны два числа, называемые старшим и младшим номерами устройства. Старший номер определяет номер строки в таблице символьных либо блочных драйверов. Младший номер передается драйверу как дополнительный параметр. Он может означать, например, номер конкретного дискового устройства.

3. Управление данными

3.1. Основные задачи управления данными

Старинный термин «управление данными» в настоящее время всегда понимается как управление файлами.

Файл есть набор данных, хранящийся на периферийном устройстве и доступный по имени. При этом конкретное расположение данных на устройстве не интересует пользователя и полностью передоверяется системе. До изобретения файлов пользователь должен был обращаться к своим данным, указывая их адреса на диске или на магнитной ленте.

Понятие «файловая система» означает стандартизованную совокупность структур данных, алгоритмов и программ, обеспечивающих хранение файлов и выполнение операций с ними. Мощная современная ОС обычно поддерживает возможность использования нескольких разных файловых систем. И наоборот, одна и та же файловая система может поддерживаться различными ОС.

Среди задач, решаемых подсистемой управления данными, можно назвать следующие:

· выполнение операций создания, удаления, переименования, поиска файлов, чтения и записи данных в файлы, а также ряда вспомогательных операций;

· обеспечение эффективного использования дискового пространства и высокой скорости доступа к данным;

· обеспечение надежности хранения данных и их восстановления в случае сбоев;

· защита данных пользователя от несанкционированного доступа;

· управление одновременным совместным использованием данных со стороны нескольких процессов.

3.2. Характеристики файлов и архитектура файловых систем

С каждым файлом связан набор атрибутов (характеристик), т.е. набор сведений о файле. Состав атрибутов может сильно различаться для разных файловых систем. Приведем примерный список возможных атрибутов, не привязываясь к какой-либо конкретной системе.

· Имя файла. В старых ОС длина имени была жестко ограничена 6 – 8 символами с целью экономии места для хранения имени и ускорения работы. В настоящее время максимальная длина имени составляет обычно около 250 символов, что позволяет при желании включить в имя файла подробное описание его содержимого.

· Расширение имени. По традиции, так принято называть правую часть имени, отделенную точкой. В MS-DOS, как и в некоторых более ранних системах, этот атрибут не является частью имени, он хранится отдельно и ограничивается по длине 3 символами. Однако сейчас возобладал подход, принятый в UNIX, где расширение – это чисто условно выделяемая часть имени после последней точки. Расширение обычно указывает тип данных в файле.

· Тип файла. Некоторые ОС выделяют несколько существенно различных типов файлов, например, символьные и двоичные, файлы данных и файлы программ и т.п. Ниже будут рассмотрены типы файлов, различаемые UNIX.

· Размер файла. Обычно указывается в байтах, хотя раньше часто задавался в блоках.

· Временные штампы. Под этим термином понимаются различные отметки даты и, может быть, времени дня. Важнейшим из временных штампов является время последней модификации, позволяющее определить наиболее свежую версию файла. Полезными могут быть также время последнего доступа (т.е. открытия файла), время последней модификации атрибутов.

· Номер версии. В некоторых ОС при всяком изменении файла создавалась его новая версия, причем система могла хранить либо все версии, либо только несколько последних. Это давало немаловажное преимущество – возможность вернуться к старой версии файла, если изменения оказались неудачными. Тем не менее, этот атрибут не привился из-за большой избыточной траты дисковой памяти. При необходимости разработчики могут использовать специальные программные системы управления проектами, обеспечивающие в том числе и хранение старых версий файлов.

· Владелец файла. Этот атрибут необходим в многопользовательских системах для организации защиты данных. Как правило, владельцем является пользователь, который создал файл. Иногда, кроме индивидуального владельца, указывается еще и группа пользователей как коллективный владелец файла.

· Атрибуты защиты. Они указывают, какие именно права доступа к файлу имеют различные пользователи, в том числе и владелец файла.

· Тип доступа. В некоторых ОС (например, в OS/360) для каждого файла должен был храниться допустимый тип доступа: последовательный, произвольный или один из индексных типов, обеспечивающих быстрый поиск данных в файле. В настоящее время более распространен подход, при котором для всех файлов поддерживаются одни и те же типы доступа (последовательный и произвольный), а ускорение поиска должно обеспечиваться, например, системой управления базами данных.

· Размер записи. Если эта величина указана, то адресация нужных данных выполняется с помощью номера записи. Другой подход заключается в том, что данные адресуются их смещением (в байтах) от начала файла, а разбиение файла на записи возлагается на прикладные программы, работающие с файлом.

· Флаги (битовые атрибуты). Их разнообразие ограничивается лишь фантазией разработчиков системы, но наиболее распространенным и важным является флаг «только для чтения» (readonly), защищающий файл от случайного изменения или удаления. В зависимости от возможностей конкретной файловой системы, файл может быть отмечен как «сжатый», «шифрованный» и т.п.

· Данные о размещении файла на диске. Пользователь, как правило, не знает и не хочет ничего знать о размещении файла (именно для этого и существует понятие файла). Для системы эти данные необходимы, чтобы найти файл.

Записи, в которых содержатся атрибуты каждого файла, собраны в каталоги (они же папки, директории). В ранних ОС (и даже в первой версии MS-DOS) на каждом дисковом томе имелся единственный каталог, содержащий полный список всех файлов этого тома. Такое решение было вполне естественным, пока количество файлов не превышало двух – трех десятков. Однако при увеличении объема дисков и, как следствие, числа файлов на них такой одноуровневый каталог становился все менее удобным. В некоторых ОС использовалась двухуровневая организация каталогов. При этом главный каталог содержал список каталогов второго уровня, закрепленных за отдельными пользователями или проектами. Однако позднее стала общепринятой иерархическая структура каталогов, при которой каждый каталог может, помимо файлов, содержать вложенные подкаталоги, причем глубина вложения не ограничивается.

Все хранящиеся в файловой системе служебные данные, описывающие атрибуты и размещение файлов, структуру каталогов, общую структуру дискового тома и т.п., принято называть метаданными, в отличие от «просто данных», хранящихся в файлах.

Помимо устройств произвольного доступа (дисков), файлы могут храниться и на таких устройствах последовательного доступа, как магнитные ленты. Однако для лент ведение каталогов затруднительно и польза от них невелика. Как правило, имя и прочие атрибуты файла записываются на ленту непосредственно перед данными этого файла.

3.3. Размещение файлов

Область данных диска, отведенную для хранения файлов, можно представить как линейную последовательность адресуемых блоков (секторов). Размещая файлы в этой области, ОС должна отвести для каждого файла необходимое количество блоков и сохранить информацию о том, в каких именно блоках размещен данный файл. Существуют два основных способа использования дискового пространства для размещения файлов.

· Непрерывное размещение характеризуется тем, что каждый файл занимает непрерывную последовательность блоков.

· Сегментированное размещение означает, что файлы могут размещаться «по кусочкам», т.е. один файл может занимать несколько несмежных сегментов разной длины. Оба способа размещения показаны на рис. 3‑1.

Рис. 3‑1

Непрерывное размещение имеет два серьезных достоинства.

· Информация о размещении файла очень проста и занимает мало места. Фактически достаточно хранить два числа: номер начального блока файла и число занимаемых блоков (или размер файла в байтах, по которому легко вычислить число блоков).