Назначение, задачи и технологии подсистемы ввода-вывода

Устройства ввода-вывода

Внешние устройства, выполняющие операции ввода-вывода, можно разделить на три группы:

• устройства, работающие с пользователем. Используются для связи пользователя с компьютером. Сюда относятся принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь, трекбол, джойстики) и т.п.;
• устройства, работающие с компьютером. Используются для связи с электронным оборудованием. К ним можно отнести дисковые устройства и устройства с магнитными лентами, датчики, контроллеры, преобразователи;
• коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами. К ним относятся модемы и адаптеры цифровых линий.

По другому признаку устройства ввода-вывода можно разделить на блочные и символьные [10]. Блочными являются устройства, хранящие информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока есть адрес и каждый блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Символьные устройства принимают или передают поток символов без какой-либо блочной структуры (принтеры, сетевые карты, мыши и т.д.).

Однако некоторые из устройств не попадают ни в одну из этих категорий, например, часы, мониторы и др. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько общей, что может использоваться в качестве основы для достижения независимости от устройств некоторого программного обеспечения операционных систем, имеющего дело с вводом-выводом. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от устройств часть оставляет программному обеспечению низкого уровня.

Следует также отметить существенные различия между устройствами ввода-вывода, принадлежащими к разным классам, и в рамках каждого класса. Эти различия касаются следующих характеристик:

• скорость передачи данных (различия на несколько порядков);
• применение. Каждое действие, поддерживаемое устройством, оказывает влияние на программное обеспечение и стратегии операционной системы (например, диск, используемый для хранения файлов или для страниц виртуальной памяти, требует различного программного обеспечения);
• сложность управления. Для принтера требуется относительно простой интерфейс управления, для диска – намного сложнее. Влияния этих отличий на ОС сглаживается усложнением контроллеров ввода-вывода;
• единицы передачи данных. Данные могут передаваться блоками или потоками байтов или символов;
• представления данных. Различные устройства используют разные схемы кодирования данных, включая разную кодировку символов и контроль четности;
• условия ошибки. Природа ошибок, способ сообщения о них, их последствия и возможные ответы резко отличаются при переходе от одного устройства к другому.

Такое разнообразие внешних устройств приводит, по сути, к невозможности разработки единого и согласованного подхода к проблеме ввода-вывода как с точки зрения операционной системы, так и с точки зрения пользовательских процессов.

Устройства ввода-вывода, как правило, состоят из электромеханической и электронной части. Обычно их выполняют в форме отдельных модулей – собственно устройство и контроллер (адаптер). В ПК контроллер принимает форму платы, вставляемой в слот расширения. Плата имеет разъем, к которому подключается кабель, ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя и даже более идентичными устройствами. Интерфейс между контроллером и устройством является официальным стандартом (ANSI, IEEE или ISO) или фактическим стандартом, и различные компании могут выпускать отдельно котроллеры и устройства, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так, многие компании производят диски, соответствующие интерфейсу IDE или SCSI, а наборы схем системной логики материнских плат реализуют IDE и SCSI-контроллеры.

Интерфейс между контроллером и устройством часто является интерфейсом очень низкого уровня, т.е. очень специфичным, зависящим от типа внешнего устройства. Например, видеоконтроллер считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы управления лучом электронной трубки, сигналы строчной и кадровой развертки и т.п.

Каждый контроллер взаимодействует с драйвером системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Для работы с драйвером контроллер имеет несколько регистров, кроме того, он может иметь буфер данных, из которого операционная система может читать данные, а также записывать данные в него. Каждому управляющему регистру назначается номер порта ввода-вывода. Используя регистры контроллера, ОС может узнать состояние устройства (например, готово ли оно к работе), а также выдавать команды управления устройством (принять или передать данные, включиться, выключиться и т.п.).

Разделение устройств и данных между процессами

Устройства ввода-вывода могут предоставляться процессам как в монопольном, так и разделенном режиме. При этом ОС должна обеспечивать контроль доступа теми же способами, что и при доступе процессов к другим ресурсам вычислительной системы, – путем проверки прав пользователя или группы пользователей, от имени которых действует процесс, на выполнение той или иной операции над устройством.

ОС может контролировать доступ не только к устройству в целом, но и к отдельным порциям данных, хранимых этим устройством. Диск является типичным примером такого устройства, где важно контролировать доступ к файлам и каталогам. В последнем случае непременным является задание режима совместного использования устройства в целом.

Одно и то же устройство в разные периоды времени может работать как в разделяемом, так и в монопольном режимах. Тем не менее, существуют устройства, для которых характерен один из этих режимов, например, последовательные порты и алфавитно-цифровые терминалы чаще используются в монопольном режиме, а диск – в режиме совместного доступа.

В случае совместного использования ОС должна оптимизировать последовательность операций ввода-вывода для различных процессов в целях повышения общей производительности. Например, при обмене данными нескольких процессов с диском можно так упорядочить последовательность операций, что непроизводительные затраты времени на перемещение головок существенно уменьшаются (при этом для отдельных процессов возможно некоторое замедление операции ввода-вывода).

При разделении устройства между процессами может возникнуть необходимость в разграничении данных процессов друг от друга. Обычно такая потребность появляется при совместном использовании последовательных устройств, которые, в отличие от устройств прямого доступа, не адресуются. Типичный представитель такого устройства – принтер. Для таких устройств организуется очередь заданий на вывод, при этом каждое задание представляет собой порцию данных, которую нельзя разрывать, например, документ для печати.

Для хранения очереди заданий используется спул-файл, который согласует скорость работы принтера и оперативной памяти и позволяет организовать разбиение данных на логические порции. Процессы могут одновременно выполнять вывод на принтер, помещая данные в свой раздел спул-файла.

Драйверы

Первоначально термин " драйвер" применялся в достаточно узком смысле – под драйвером понимается программный модуль, который:

• входит в состав ядра ОС, работая в привилегированном режиме;
• непосредственно управляет внешним устройством, взаимодействуя с его контроллером с помощью команд ввода-вывода компьютера;
• обрабатывает прерывания от контроллера устройства;
• предоставляет прикладному программисту удобный логический интерфейс работы с устройством, экранируя от него низкоуровневые детали управления устройством и организации его данных;
• взаимодействует с другими модулями ядра ОС с помощью строго оговоренного интерфейса, описывающего формат передаваемых данных, структуру буферов, способы включения драйвера в состав ОС, способы вызова драйвера, набор общих процедур подсистемы ввода-вывода, которыми драйвер может пользоваться и т.п.

Согласно этому определению драйвер вместе с контроллером устройства и прикладной программой воплощали идею многослойного подхода к организации программного обеспечения. Контроллер представлял низкий слой управления устройством, выполняющий операции в терминах блоков и агрегатов устройства (например, передвижение головки дисковода, побитную передачу байта по двухпроводному кабелю). Драйвер выполнял более сложные операции, преобразуя данные, адресуемые в терминах номеров цилиндров, головок и секторов диска, в линейную последовательность блоков. В результате прикладная программа работала с данными, преобразованными в достаточно понятную форму, – файлами, таблицами баз данных, текстовыми окнами на мониторе и т.п., не вдаваясь в детали представления этих данных в устройствах ввода-вывода.

В описанной схеме драйверы не делились на слои. Постепенно, по мере развития операционных систем и усложнения структуры подсистемы ввода-вывода, наряду с традиционными драйверами в ОС появились так называемые высокоуровневые драйверы, которые располагаются в общей модели подсистемы ввода-вывода над традиционными драйверами. Появление таких драйверов можно считать развитием идеи многоуровневой организации подсистемы ввода-вывода, когда ее функции декомпозируются между несколькими модулями в соседних слоях иерархии (таких примеров много, например семиуровневая модель сетевых протоколов).

Традиционные драйверы, которые стали называть аппаратными, низкоуровневыми или драйверами устройств, освобождаются от высокоуровневых функций и занимаются только низкоуровневыми операциями. Эти низкоуровневые операции составляют фундамент, на котором можно построить тот или иной набор операций в драйверах более высоких уровней.

При таком подходе повышается гибкость и расширяемость функции по управлению устройством. Например, если различным приложениям необходимо работать с различными логическими модулями одного и того же физического устройства, то для этого в системе достаточно установить несколько драйверов на одном уровне, работающих над одним аппаратным драйвером. Несколько драйверов, управляющих одним устройством, но на разных уровнях, можно рассматривать как один многоуровневый драйвер.

На практике используют от двух до пяти уровней драйверов, поскольку с увеличением числа уровней снижается скорость выполнения операций ввода-вывода.

Высокоуровневые драйверы оформляются по тем же правилам и придерживаются тех же внутренних интерфейсов, что и аппаратные драйверы. Как правило, высокоуровневые драйверы не вызываются по прерываниям, так как взаимодействуют с устройством через посредничество аппаратных драйверов.

В модулях подсистемы ввода-вывода, кроме драйверов, могут присутствовать и другие модули, например, дисковый кэш. Достаточно специфичные функции кэша делают нецелесообразным оформление его в виде драйвера, взаимодействующего с другими модулями ОС только с помощью услуг менеджера ввода-вывода. Другим примером модуля, который чаще всего не оформляется в виде драйвера, является диспетчер окон графического интерфейса. Иногда этот модуль вообще выносится из ядра ОС и реализуется в виде пользовательского интерфейса. Таким образом, был реализован диспетчер окон в Windows NT 3.5 и 3.51, но этот микроядерный подход заметно замедляет графические операции, поэтому в Windows 4.0 диспетчер окон и высокоуровневые графические драйверы, а также графическая библиотека GDI были перенесены в пространство ядра.

Аппаратные драйверы после запуска операции ввода-вывода должны своевременно реагировать на завершение контроллером заданного действия путем взаимодействия с системой прерывания. Драйверы более высоких уровней вызываются не по прерываниям, а по инициативе аппаратных драйверов или драйверов вышележащего уровня. Не все процедуры аппаратного драйвера нужно вызывать по прерываниям, поэтому драйвер обычно имеет определенную структуру, в которой выделяется секция обработки прерываний (Interrupt Service Routine, ISR), которая и вызывается от соответствующего устройства диспетчером прерываний.

В унификацию драйверов большой вклад внесла ОС UNIX, в которой все драйверы были разделены на два класса: блок-ориентированные (Block-oriented) и байт-ориентированные (Character-oriented) драйверы. Это более общее деление, чем деление на вертикальные подсистемы. Например, драйверы графических устройств и сетевых устройств относятся к классу байт-ориентированных.

Блок-ориентированные драйверы управляют устройствами прямого доступа, которые хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой адрес. Адресуемость блоков приводит к тому, что для дисков, являющихся устройствами прямого доступа, появляется возможность кэширования данных в оперативной памяти. Это обстоятельство значительно влияет на общую организацию ввода-вывода для блок-ориентированных драйверов.

Устройства, с которыми работают байт-ориентированные драйверы, не адресуют данные и не позволяют производить операции поиска данных, они генерируют или потребляют последовательность байта (терминалы, принтеры, сетевые адаптеры и т.п.).

Однако не все устройства, управляемые подсистемой ввода-вывода, можно разделить на блок и байт-ориентированные. Для таких устройств (например, таймер) нужен специфический драйвер.

В свое время ОС UNIX сделала очень важный шаг по унификации операций и структуризации программного обеспечения ввода-вывода. В ОС UNIX все устройства рассматриваются как виртуальные (специальные) файлы, что дает возможность использовать общий набор базовых операций ввода-вывода для любых устройств независимо от их специфики. Подобная идея реализована позже в MS-DOS, где последовательные устройства – монитор, принтер и клавиатура – считаются файлами со специальными именами: con, prn, con.

Файловые системы. Основные понятия

Цели и задачи файловой системы

Любое компьютерное приложение получает, хранит и выводит данные. Во время работы процесс может хранить ограниченное количество данных в собственном адресном пространстве, поскольку его емкость ограничена рамками виртуального адресного пространства. Для некоторых приложений, например, систем резервирования авиабилетов, систем банковского учета и др., однако, только виртуального адресного пространства будет недостаточно.

Кроме того, после завершения работы процесса информация, хранящаяся в его адресном пространстве, теряется. В это же время для ряда приложений (например, баз данных) ее надо хранить длительное время, а иногда даже вечно. Исчезновение данных после завершения процесса для таких приложений неприемлемо. Информация должна сохраняться и при аварийном завершении процесса в случае сбоя компьютера.

Третья проблема состоит в том, что часто необходимо разным процессам одновременно получать доступ к одним и тем же данным (или части данных). Для решения этой проблемы необходимо отделить информацию от процесса.

Таким образом, необходимо хранить данные на устройствах компьютеров (диски, ленты и др.) с соблюдением следующих требований [13].

1. Устройства должны позволять хранить очень большие объемы данных. К таким устройствам относятся жесткие магнитные диски, магнитные ленты, оптические и магнитооптические диски.
2. Информация должна длительно и надежно сохраняться после прекращения работы процесса, использующего эту информацию. Долговременность хранения обеспечивается применением запоминающих устройств, не зависящих от электропитания, а высокая надежность определяется соответствующей организацией операционной системы.
3. Несколько процессов должны иметь возможность получения одновременного доступа к информации, т.е. должно быть обеспечено совместное использование данных.

Решение этих проблем состоит в хранении информации, организованной в файлы. Файл – это именованная совокупность данных, хранящаяся на каком-либо носителе информации.

При рассмотрении отдельных файлов и их совокупностей используются следующие понятия.

1. Поле (Field) – основной элемент данных. Поле содержит единственное значение, такое как имя служащего, дату, значение некоторого показателя и т.п. Поле характеризуется длиной и типом данных и может быть фиксированной или переменной длины, т.е. состоять из нескольких подполей: имя поля, значение, длина поля.
2. Запись (Record) – набор связанных между собой полей, которые могут быть обработаны как единое целое некоторой прикладной программой (например, запись о сотруднике, содержащая такие поля, как имя, должность, оклад и т.д.). В зависимости от структуры записи могут быть фиксированной или переменной длины.
3. Файл (File) – совокупность однородных записей. Файл рассматривается как единое целое приложениями и пользователем. Обращение к файлу осуществляется по его имени. Пользователь (программист) должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файла по различным признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться другим, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. В некоторых системах управления доступом осуществляется на уровне записи, а иногда и на уровне поля.
4. База данных (database) – набор связанных между собой данных, представленных совокупностью файлов одного или несколько типов. Обычно существует отдельная система управления базой данных (СУБД), независимая от операционной системы, но, тем не менее, она почти всегда использует некоторые программы управления файлами.

Обычно единственным способом работы с файлами является применение системы управления файлами или иначе – файловой системы (ФС).

Файловая система – это часть операционной системы, включающая:

• совокупность всех файлов на носителе информации (магнитном или оптическом диске, магнитной ленте и др.);
• наборы структур данных, используемых для управления файлами, каталоги и дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске и др.);
• комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами (создание, уничтожение, чтение, запись и др.).

Задачи, решаемые файловой системой, во многом определяются способом организации вычислительного процесса (наиболее простые – в однопрограммных и однопользовательских ОС, наиболее сложные – в сетевых ОС.).

В мультипрограммных, многопользовательских ОС задачами файловой системы являются [10]:

• соответствие требованиям управления данными и требованиям со стороны пользователей, включающим возможность хранения данных и выполнения операций с ними;
• гарантирование корректности данных, содержащихся в файле;
• оптимизация производительности, как с точки зрения системы (пропускная способность), так и с точки зрения пользователя (время отклика);
• поддержка ввода-вывода для различных типов устройств хранения информации;
• минимизация или полное исключение возможных потерь или повреждений данных;
• защита файлов от несанкционированного доступа;
• обеспечение поддержки совместного использования файлов несколькими пользователями (в том числе средства блокировки файла и его частей, исключение тупиков, согласование копий и т.п.);
• обеспечение стандартизированного набора подпрограмм интерфейса ввода-вывода.

Минимальным набором требований к файлам системы со стороны пользователя диалоговой системы общего назначения можно считать следующую совокупность возможностей, предоставляемую пользователю:

1. создание, удаление, чтение и изменение файлов;
2. контролируемый доступ к файлам других пользователей;
3. управление доступом к своим файлам;
4. реструктурирование файлов в соответствии с решаемой задачей;
5. перемещение данных между файлами;
6. резервирование и восстановление файлов в случае повреждения;
7. доступ к файлам по символьным именам.

Каталоговые системы

Связующим звеном между системой управления файлами и набором файлов служит файловый каталог. Простейшая форма системы каталогов состоит в том, что имеется один каталог, в котором содержатся все файлы. Каталог содержит информацию о файлах, включая атрибуты, местоположение, принадлежность. Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по именам. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому каталоговые системы имеют иерархическую структуру. Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 7.11), и сеть, если файл может входить в несколько каталогов.

Например, в Ms-Dos и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX – сетевую. В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых устройств, даже в ПК всегда имеется несколько дисков: гибкий, винчестер, CD-ROM (DVD). Как организовать хранение файлов в этом случае?

Рис. 7.11. Каталоговые системы

Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается автономная файловая система, т.е. файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются деревом каталогов, никак не связанным с деревьями каталогов на других устройствах. В таком случае для однозначной идентификации файла пользователь вместе с составным символьным именем файла должен указывать идентификатор логического устройства. Примером такого автономного существования может служить MS-DOS, Windows 95/98/Me/XP.

Другим решением является такая организация хранения файлов, при которой пользователю предоставляется возможность объединить файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием.

В ОС UNIX монтирование осуществляется следующим образом. Среди всех имеющихся логических дисковых устройств выделяется одно, называемое системным. Пусть имеются две файловые системы, расположенные на разных логических дисках, причем один из дисков является системным (рис. 7.12).

Файловая система, расположенная на системном диске, называется корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некоторый существующий каталог, в данном примере – каталог loc. После выполнения монтирования выбранный каталог loc становится корневым каталогом второй файловой системы. Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву.

Рис. 7.12. Монтирование

Файловые операции

Набор файловых операций

Файловая система ОС должна предоставлять пользователям набор операций для работы с файлами, оформленный в виде системных вызовов. В различных ОС имеются различные наборы файловых операций. Наиболее часто встречающимися системными вызовами для работы с файлами являются [13, 17]:

1. Create (создание). Файл создается без данных. Этот системный вызов объявляет о появлении нового файла и позволяет установить некоторые его атрибуты;
2. Delete (удаление). Ненужный файл удаляется, чтобы освободить пространство на диске;
3. Open (открытие). До использования файла его нужно открыть. Данный вызов позволяет прочитать атрибуты файла и список дисковых адресов для быстрого доступа к содержимому файла;
4. Close (закрытие). После завершения операций с файлом его атрибуты и дисковые адреса не нужны. Файл следует закрыть, чтобы освободить пространство во внутренней таблице;
5. Read (чтение). Файл читается с текущей позиции. Процесс, работающий с файлом, должен указать (открыть) буфер и количество читаемых данных;
6. Write (запись). Данные записываются в файл в текущую позицию. Если она находится в конце файла, его размер автоматически увеличивается. В противном случае запись производится поверх существующих данных;
7. Append (добавление). Это усеченная форма предыдущего вызова. Данные добавляются в конец файла;
8. Seek (поиск). Данный системный вызов устанавливает файловый указатель в определенную позицию;
9. Get attributes (получение атрибутов). Процессам для работы с файлами бывает необходимо получить их атрибуты;
10. Set attributes (установка атрибутов). Этот вызов позволяет установить необходимые атрибуты файлу после его создания;
11. Rename (переименование). Этот системный вызов позволяет изменить имя файла. Однако такое действие можно выполнить копированием файла. Поэтому данный системный вызов не является необходимым;
12. Execute (выполнить). Используя этот системный вызов, файл можно запустить на выполнение.

Рассмотрим примеры файловых операций в ОС Windows 2000 и UNIX. Как и в других ОС, в Windows 2000 есть свой набор системных вызовов, которые она может выполнять. Однако корпорация Microsoft никогда не публиковала список системных вызовов Windows, кроме того, она постоянно меняет их от одного выпуска к другому [17]. Вместо этого Microsoft определила набор функциональных вызовов, называемый Win 32 API (Win 32 Application Programming Interface). Эти вызовы опубликованы и полностью документированы. Они представляют собой библиотечные процедуры, которые либо обращаются к системным вызовам, чтобы выполнить требуемую работу, либо выполняют ее прямо в пространстве пользователя.

Философия Win 32 API заключается в предоставлении всеобъемлющего интерфейса, с возможностью выполнить одно и то же требование несколькими (тремя-четырьмя) способами. В ОС UNIX все системные вызовы формируют минимальный интерфейс: удаление даже одного из них приведет к снижению функциональности ОС.

Многие вызовы API создают объекты ядра того или иного типа (файлы, процессы, потоки, каналы и т.д.). Каждый вызов, создающий объект, возвращает вызывающему процессу результат, называемый дескриптором (небольшое целое число). Дескриптор используется впоследствии для выполнения операций с объектами. Он не может быть передан другому процессу и использован им. Однако при определенных обстоятельствах дескриптор может быть дублирован и передан другому процессу защищенным способом, что предоставляет второму процессу контролируемый доступ к объекту, принадлежащему первому процессу. С каждым объектом ассоциирован дескриптор безопасности, описывающий, кто и какие действия может, а какие не может выполнять с данным объектом.

Основные функции Win 32 API для файлового ввода-вывода и соответствующие системные вызовы ОС UNIX приведены ниже.

Функция Win 32 API	Системные вызовы UNIX	Описание
CreateFile	open	Создать или открыть файл; вернуть дескриптор файла
DeleteFile	unlink	Удалить существующий файл
CloseHandle	close	Закрыть файл
ReadFile	read	Прочитать данные из файла
WriteFile	write	Записать данные в файл
SetFilePointer	lseek	Установить указатель в файле в определенную позицию
GetFileAttributes	stat	Вернуть атрибуты файла
LockFile	fcntl	Заблокировать область файла для обеспечения взаимного исключения
UnlockFile	fcntl	Отменить блокировку области файла

Аналогично файловым операциям обстоит дело с операциями управления каталогами. Основные функции Win 32 API и системные вызовы UNIX для управления каталогами приведены ниже.

Функция Win 32 API	Системные вызовы UNIX	Описание
CreateDirectory	mkdir	Создать новый каталог
RemoveDirectory	rmdir	Удалить пустой каталог
FindFirstFile	opendir	Инициализация, чтобы начать чтение записей каталога
FindNextFile	readdir	Прочитать следующую запись каталога
MoveFile	rename	Переместить файл из одного каталога в другой
SetCurrentDirectory	chdir	Изменить текущий рабочий каталог

Способы выполнения файловых операций

Чаще всего с одним и тем же файлом пользователь выполняет не одну, а последовательность операций. Независимо от набора этих операций операционной системе необходимо выполнить ряд постоянных (универсальных) для всех операций действий.

1. По символьному имени файла найти его характеристики, которые хранятся в файловой системе на диске.
2. Скопировать характеристики в оперативную память, поскольку только в этом случае программный код может их использовать.
3. На основании характеристик файла проверить права пользователя на выполнение запрошенной операции.
4. Очисть область памяти, отведенную под временное хранение характеристик файла.

Кроме того, каждая операция включает ряд уникальных для нее действий, например, чтение определенного набора кластеров диска, удаление файла, изменение его атрибутов и т.п.

ОС может выполнить последовательность действий над файлами двумя способами (см. рис. рис. 7.22).

1. Для каждой операции выполняются как универсальные, так и уникальные действия. Такая схема иногда называется схемой без заполнения состояния операции (stateless).
2. Все универсальные действия выполняются в начале и конце последовательности операций, а для каждой промежуточной операции выполняются только уникальные действия.

Рис. 7.22. Варианты выполнения последовательности действий над файлами

Подавляющее большинство файловых систем поддерживает второй способ, как более экономичный и быстрый. Однако первый способ 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, когда сбои из-за потерь пакетов или отказов одного из сетевых узлов более вероятны, чем при локальном доступе к данным.

При втором способе в ФС вводится два специальных системных вызова: open и close. Первый выполняется перед началом любой последовательности операций с файлом, а второй – после окончания работы с файлом.

Основной задачей вызова open является преобразование символьного имени файла в его уникальное числовое имя, копирование характеристик файла из дисковой области в буфер оперативной памяти и проверка прав пользователя на выполнение запрошенной операции. Вызов close освобождает буфер с характеристиками файла и делает невозможным продолжение операций с файлами без его повторного открытия.

Приведем несколько примеров системных вызовов для работы с файлами. Системный вызов create в ОС UNIX работает с двумя аргументами: символьным именем открываемого файла и режимом защиты. Так команда

fd = create (" abc", mode);

создает файл abc с режимом защиты, указанным в переменной mode. Биты mode определяют круг пользователей, которые могут получить доступ к файлам, и уровень предоставляемого им доступа. Системный вызов create не только создает новый файл, но также открывает его для записи. Чтобы последующие системные вызовы могли получить доступ к файлу, успешный системный вызов create возвращает небольшое неотрицательное целое число – дескриптор файла – fd. Если системный вызов выполняется с существующим файлом, длина этого файла уменьшается до 0, а все содержимое теряется.

Чтобы прочитать данные из существующего файла или записать в него данные, файл сначала нужно открыть с помощью системного вызова open с двумя аргументами: символьным именем файла и режимом открытия файла (для записи, чтения или того т другого), например

fd = open (" file", how);

Системные вызовы create и open возвращают наименьший неиспользуемый в данный момент дескриптор файла. Когда программа начинает выполнение стандартным образом, файлы с дескрипторами 0, 1 и 2 уже открыты для стандартного ввода, стандартного вывода и стандартного потока сообщений об ошибках.

В стандарте языка Си отсутствуют средства ввода-вывода. Все операции ввода-вывода реализуются с помощью функций, находящихся в библиотеке языка, поставляемой в составе системы программирования Си. На стандартный поток ввода ссылаются через указатель stdin, вывода – stdout, сообщений об ошибках –stderr. По умолчанию потоку ввода stdin ставится в соответствие клавиатура, а потокам stdout и stderr – экран дисплея.

Для ввода-вывода данных с помощью стандартных потоков в библиотеке Си определены функции:

• getchar ( )/putchar ( ) – ввод-вывод отдельного символа;
• gets ( )/ puts ( ) – ввод-вывод строки;
• scanf ( )/ printf ( ) – ввод-вывод в режиме форматирования данных.

Процесс в любое время может организовать ввод данных из стандартного файла ввода, выполнить символьный вызов:

read (stdin, buffer, nbyts);

Аналогично организуется вывод в стандартный файл вывода

write (stdout, buffer, nbytes).

При работе в Windows 2000 с помощью функции CreateFile можно создать файл и получить дескриптор к нему. Эту же функцию следует применять и для открытия уже существующего файла, так как в Win 32 API нет специальной функции File Open. Параметры функций, как правило, многочисленны, например, функция CreateFile имеет семь параметров:

1. указатель на имя файла, который нужно создать или открыть;
2. флаги (биты), указывающие, может ли с этим файлом выполняться чтение, запись или то и другое;
3. флаги, указывающие, может ли этот файл одновременно открываться несколькими процессами;
4. указатель на описатель защиты, сообщение, кто может получать доступ к файлу;
5. флаги, сообщающие, что делать, если файл существует или, наоборот, не существует;
6. флаги, управляющие архивацией, сжатием и т.д.;
7. дескриптор файла, чьи атрибуты должны быть клонированы для нового файла,

Fd = CreateFile (" data", GENERIC_READ, O, NULL, OPEN_EXSTING, O, NULL).

 

Контроль доступа к файлам

Файлы – один из видов разделяемых ресурсов, доступ к которым ОС должна контролировать. Существуют и другие виды ресурсов, с которыми пользователи работают в режиме совместного использования: принтеры, модемы, графопостроители и т.п. Во всех этих случаях пользователи или процессы пытаются выполнить с разделяемым ресурсом определенные операции, а ОС должны решить, имеют ли пользователи на это право. Пользователи являются субъектами доступа, а разделяемые ресурсы – объектами. Пользователь осуществляет доступ к объектам не непосредственно, а c помощью прикладных процессов, которые запускаются от его имени.

Для каждого типа объекта существует набор операций, которые можно с ним выполнять. Система контроля доступа ОС должна предоставлять средства для задания прав пользователей по отношению к объектам дифференцированно по операциям.

В качестве субъектов доступа могут выступать как отдельные пользователи, так и группы пользователей. Объединение пользователей с одинаковыми правами в группу и задания прав доступа в целом для группы является одним из основных приемов администрирования в больших системах.

У каждого объекта доступа существует владелец. Владелец объекта имеет право выполнить с ним любые допустимые для данного объекта операции. Во многих ОС существует особый пользователь – администратор " superuser", который имеет все права по отношению к объектам системы, не обязательно являясь их владельцем. Эти права (полномочия) необходимы администратору для управления политикой доступа.

Различают два основных подхода к определению прав доступа [13].

1234Следующая ⇒

Поделиться: