Имеются две формы хранения списка файлов.

Небольшие каталоги (small indexes). Если количество файлов в каталоге невели­ко, то список файлов может быть резидентным в записи в MFT, являющейся ка­талогом. Для резидентного хранения списка используется единствен­ный атрибут — Index Root. Список файлов содержит значения атрибутов файла. По умолчанию — это имя файла, а также номер записи MTF, содержащей на­чальную запись файла.

Большие каталоги (large indexes). По мере того как каталог растет, список фай­лов может потребовать нерезидентной формы хранения. Однако начальная часть списка всегда остается резидентной в корневой записи каталога в таблице MFT. Имена файлов резидентной части списка файлов являются узлами так называемого В-дерева (двоичного дерева). Остальные части списка файлов размещаются вне MFT. Для их поиска используется специальный атрибут Index Allocation, представляющий собой адреса отрезков, хранящих остальные части спи­ска файлов каталога. Одни части списков являются листьями дерева, а другие являются промежуточными узлами, то есть содержат наряду с именами файлов атрибут Index Allocation, указывающий на списки файлов более низких уровней.

Поиск в каталоге уникального имени файла, которым в NTFS является номер основной записи о файле в MFT, по его символьному имени происходит следую­щим образом. Сначала искомое символьное имя сравнивается с именем первого узла в резидентной части индекса. Если искомое имя меньше, то это означает, что его нужно искать в первой нерезидентной группе, для чего из атрибута Index Allocation извлекается адрес отрезка (VCN,, LCNj, Kj), хранящего имена файлов первой группы. Среди имен этой группы поиск осуществляется прямым перебором имен и сравнением до полного совпадения всех символов искомого имени с хранящимся в каталоге именем. При совпадении из каталога извлекается номер основной записи о файле в MFT и остальные характеристики файла берутся уже оттуда.

Если же искомое имя больше имени первого узла резидентной части индекса, то его сравнивают с именем второго узла, и если искомое имя меньше, то описанная процедура применяется ко второй нерезидентной группе имен, и т. д.

В результате вместо перебора большого количества имен (в худшем случае — всех имен каталога) выполняется сравнение с гораздо меньшим количеством имен узлов и имен в одной из групп каталога.

Файловые операции. Два способа организации файловых операций

Чаще всего с одним и тем же файлом пользователь выполняет не одну операцию, а последовательность операций. Например, при работе текстового редактора с файлом, в котором содержится некоторый документ, пользователь обычно счи­тывает несколько страниц текста, редактирует эти данные и записывает их на место считанных, а затем считывает страницы из другой области файла, и т. п. После большого количества операций чтения и записи пользователь завершает работу с данным файлом и переходит к другому.

Какие бы операции не выполнялись над файлом, ОС необходимо выполнить ряд универсальных для всех операций действий:

1)По символьному имени файла найти его характеристики, которые хранятся в файловой системе на диске.

2)Скопировать характеристики файла в оперативную память, так как только та­ким образом программный код может их использовать.

3)На основании характеристик файла проверить права пользователя на выпол­нение запрошенной операции (чтение, запись, удаление, просмотр атрибутов файла).

4)Очистить область памяти, отведенную под временное хранение характери­стик файла.

Операционная система может выполнять последовательность действий над фай­лом двумя способами:

- Для каждой операции выполняются как универсальные, так и уникальные действия. Такая схема иногда называется схемой без запоминания состояния операций (stateless).

- Все универсальные действия выполняются в начале и конце последователь­ности операций, а для каждой промежуточной операции выполняются только уникальные действия.

Подавляющее большинство файловых систем поддерживает второй способ организации файловых операций как более экономичный и быстрый. Первый способ обладает одним преимуществом — он более устойчив к сбоям в работе системы, так как каждая операция является самодостаточной и не зависит от результата предыдущей. Поэтому первый способ иногда применяется в распределенных сетевых файловых системах (например, в Network File System, NFS компании Sun), когда сбои из-за потерь пакетов или отказов одного из сетевых узлов более вероятны, чем при локальном доступе к файлам.

При втором способе в файловой системе вводятся два специальных системных вызова: open — открытие файла, и close — закрытие файла.

 

Открытие файла

Системный вызов open в ОС UNIX работает с двумя аргументами: символьным именем открываемого файла и режимом открытия файла. Режим открытия говорит системе, какие операции будут выполняться над файлом в последовательности операций до закрытия файла по системному вызову close, например: только чтение, только запись или чтение и запись.

При открытии файла ОС сначала выполняет преобразование первого аргумента системного вызова, то есть символьного имени файла, в его уникальное числовое имя, которым в традиционных файловых системах UNIX является номер индексного дескриптора.

По номеру индексного дескриптора inode файловая система находит нужную запись на диске и копирует из нее характеристики файла в оперативную память.

Для хранения копии индексного дескриптора используются буферные области системного виртуального пространства. Характеристики индексного дескриптора, перенесенные в оперативную память, помещаются в структуру так называемого виртуального дескриптора vnode (virtual node). Структура vnode включает поля индексного дескриптора файла inode, а также несколько перечисленных ниже дополнительных полей, полезных при выполнении операций с файлом.

- Состояние индексного дескриптора в памяти, отражающее:

o заблокирован ли файл;

o ждет ли снятия блокировки с файла какой-либо процесс;   

o отличается ли представление характеристик файла в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого индексного дескриптора;

o отличается ли представление файла в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого файла;

o является ли файл точкой монтирования.

- Логический номер устройства файловой системы, содержащей файл.

- Номер индексного дескриптора. В дисковом индексном дескрипторе это поле отсутствует, так как номер определяется положением дескриптора относительно начала области индексных дескрипторов.

- Счетчик ссылок на данную структуру vnode.

С одним и тем же файлом в какой-то период времени могут работать различные процессы, но операционная система не создает для каждого процесса отдельную копию структуры vnode, а для каждого файла, с которым в данный момент работает хотя бы один процесс, хранит ровно одну копию виртуального дескриптора. При очередном открытии файла ОС проверяет, имеется ли в системной памяти структура vnode открываемого файла (по номеру логического устройства и номеру индексного дескриптора, которые определяются при преобразовании символьного имени), и если имеется, то счетчик ссылок на нее увеличивается на единицу. При очередном закрытии этого файла счетчик ссылок уменьшается на единицу, и если он становится равным 0, то буфер, хранящий данный vnode, считается свободным.

При каждом открытии процессом файла ОС проверяет права пользовательского процесса на выполнение запрошенной операции с файлом и, если проверка прошла успешно, создает в системной области памяти новую структуру file, которая описывает как открытый файл, так и операции, которые процесс собирается производить с файлом (например, чтение).

Структура file содержит такие поля, как:

- признак режима открытия (только для чтения, для чтения и записи и т. п.);

- указатель на структуру vnode;

- текущее смещение в файле (переменная offset) при операциях чтения/записи;

- счетчик ссылок на данную структуру;

- указатель на структуру, содержащую права процесса, открывшего файл (эта структура находится в дескрипторе процесса);

- указатели на предыдущую и последующую структуры file, связывающие все такие структуры в двойной список.

Переменная offset, хранящаяся в структуре file, позволяет ОС запоминать текущее положение условного указателя в последовательности байт файла

Системный вызов open возвращает в пользовательский процесс дескриптор файла, который представляет собой номер записи в таблице открытых файлов процесса. Дескриптор файла имеет локальное значение только для того процесса, который открыл файл, для разных процессов одно и то же значение дескриптора указывает на разные операции, в общем случае над разными файлами.

После открытия файла его дескриптор используется во всех дальнейших операциях с файлом вплоть до явного закрытия файла. Таким образом, дескриптор файла является временным уникальным именем, но не файла, а определенной последовательности операций с этим файлом.

Для открытия файла /bin/prog 1.ехе в режиме «только для чтения» прикладной программист может использовать следующее выражение на языке С:

fd = open("/bin/progl exe". 0_RDONLY);

Здесь fd — это целочисленная переменная, сохраняющая значение дескриптора открытого файла. Ее значение должно использоваться в операциях обмена данными с файлом /bin/progI.exe. При неудачной попытке открытия файла (нет прав для выполнения затребованной операции, неверное имя файла) переменной fd присваивается значение -1, которое является индикатором ошибки для всех системных вызовов UNIX.

Обмен данными с файлом

Для обмена данными с предварительно открытым файлом в ОС UNIX существуют системные вызовы read и write. В том случае, когда необходимо явным образом указать, с какого байта файла необходимо читать или записывать данные, используется также системный вызов Т seek.

Системный вызов чтения данных из файла read имеет три аргумента:

read(fd buffer nbytes):

Первый аргумент fd является целочисленной переменной, имеющей значение дескриптора открытого файла. Второй аргумент buffer является указателем на область пользовательской памяти, в которую система должна поместить считанные данные.Количество байт этой области памяти задается третьим целочисленным аргументом nbytes. Функция read возвращает действительное количество считанных байт (оно может отличаться от заданного, если, например, была задана область чтения, выходящая за пределы файла) или же код ошибки -1. Начало дисковой области, которую нужно прочитать с помощью вызова read, явно в этом системном вызове не указывается. Чтение начинается с того байта, на который указывает смещение offset в структуре file. На это смещение указывает запись с номером fd в таблице открытых файлов процесса. После выполнения вызова read смещение offset наращивается на количество прочитанных байт. Вид системного вызова записи данных write аналогичен вызову read: wnte(fd buffer.nbytes).

Функция write записывает nbytes из буфера оперативной памяти buffer в файл, описываемый дескриптором fd. Функция write, так же как и read, возвращает вызвавшей ее программе значение реально переданных ею байт или код ошибки.

Рассмотрим пример, в котором прикладная программа работает с файлом, состоящем из записей фиксированной длины в 50 байт:

fd = open("/doc/qwery/base12. txt" 0_RDWR).

read(fd bufferl,50):

read(fd.buffer2, 2500):

…

Iseek(fd, 150, 0):

 write (fd, output, 300):

close(fd);

В приведенном фрагменте программы после открытия файла /doc/query/base12.txt для чтения и записи выполняется чтение первой записи файла, а затем читается область файла, включающая еще 50 записей, начиная со 2 по 51. После обработки считанных записей (эти инструкции опущены) производятся перемещение указателя смещения в файле на начало четвертой записи и запись результатов в шесть последовательных записей, начиная с четвертой. Завершается фрагмент закрытием файла с помощью системного вызова close.

Все описанные системные вызовы являются синхронными, то есть пользовательский процесс переводится в состояние ожидания до тех пор, пока операция ввода-вывода не завершится.

Блокировки файлов

Блокировки файлов и отдельных записей в файлах являются средством синхронизации между работающими в кооперации процессами, пытающимися использовать один и тот же файл одновременно.

Процессы могут иметь соответствующие права доступа к файлу, но одновременное использование этих прав (в особенности права записи) может привести к некорректным результатам. Примером такой ситуации является одновременное редактирование одного и того же документа несколькими пользователями. Если доступ к файлу не управляется блокировками, то каждый пользователь, который имеет право записи в файл, работает со своей копией данных файла.

Многопользовательские операционные системы обычно поддерживают специальный системный вызов, позволяющий программисту установить и проверить блокировки на файл и его отдельные области. В UNIX такой системный вызов называется fcntl. В его аргументах указывается дескриптор файла, для которого нужно установить или проверить блокировки, тип операции, а также область блокирования — смещение от начала файла и размер в байтах. При проверке наличия блокировок, установленных другими процессами, вызов fcntl немедленно возвращает управление с сообщением результата. При установке блокировки можно задать два режима работы системного вызова: с переходом процесса в состояние ожидания в том случае, если блокировку установить невозможно (синхронный системный вызов), и с немедленным возвратом в такой ситуации с сообщением отрицательного результата (асинхронный вызов). Запрошенная блокировка записи не может быть установлена в том случае, если другой процесс уже установил свою блокировку записи на тот же файл. То есть блокировка записи является исключительной. Блокировки чтения не являются исключительными и могут устанавливаться на файл в том случае, если их области действия не перекрываются. Если на какую-то область файла установлена блокировка чтения, то на эту область нельзя установить блокировку записи. В UNIX существуют два режима действия блокировок — консультативный (advisory) и обязательный (mandatory).Основным рекомендуемым для использования режимом является консультативный. При нем операционная система не занимается блокированием операций с файлом, а только устанавливает признаки блокирования областей в структурах file, поддерживающих операции с файлами. Кооперирующиеся процессы обязательно должны проверять наличие блокировок на файл, чтобы синхронизировать свою работу. Если же блокировки установлены, но процесс не проверяет их, то операционная система не запрещает доступ процесса к файлу, когда процесс делает системные вызовы read или write.

В обязательном режиме запрет на выполнение операции с заблокированным файлом поддерживает операционная система, поэтому процесс в любом случае не получит доступа к такому файлу. Однако при работе в этом режиме операционная система тратит много усилий и времени на его поддержание, поэтому обычно он не рекомендуется

---

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 571; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!