В первой версии системы UNIX, разработанной Томпсоном и Ричи, отсутствовал внутренний механизм, с помощью которого процессу мог бы быть обеспечен исключительный доступ к файлу. Механизм захвата был признан излишним, поскольку, как отмечает Ричи, «мы не имеем дела с большими базами данных, состоящими из одного файла, которые поддерживаются независимыми процессами» (см. [Ritchie 81]). Для того, чтобы повысить привлекательность системы UNIX для коммерческих пользователей, работающих с базами данных, в версию V системы ныне включены механизмы захвата файла и записи. Захват файла — это средство, позволяющее запретить другим процессам производить чтение или запись любой части файла, а захват записи — это средство, позволяющее запретить другим процессам производить ввод-вывод указанных записей (частей файла между указанными смещениями). В упражнении 5.9 рассматривается реализация механизма захвата файла и записи.

      Обычное использование системных функций read и write обеспечивает последовательный доступ к файлу, однако процессы могут использовать вызов системной функции lseek для указания места в файле, где будет производиться ввод-вывод, и осуществления произвольного доступа к файлу. Синтаксис вызова системной функции:
 
      position = lseek(fd, offset, reference);
 
      где fd — дескриптор файла, идентифицирующий файл, offset — смещение в байтах, а reference указывает, является ли значение offset смещением от начала файла, смещением от текущей позиции ввода-вывода или смещением от конца файла. Возвращаемое значение, position, является смещением в байтах до места, где будет начинаться следующая операция чтения или записи. Например, в программе, приведенной на Рисунке 5.10, процесс открывает файл, считывает байт, а затем вызывает функцию lseek, чтобы заменить значение поля смещения в таблице файлов величиной, равной 1023 (с переменной reference, имеющей значение 1), и выполняет цикл. Таким образом, программа считывает каждый 1024-й байт файла. Если reference имеет значение 0, ядро осуществляет поиск от начала файла, а если 2, ядро ведет поиск от конца файла. Функция lseek ничего не должна делать, кроме операции поиска, которая позиционирует головку чтения-записи на указанный дисковый сектор. Для того, чтобы выполнить функцию lseek, ядро просто выбирает значение смещения из таблицы файлов; в последующих вызовах функций read и write смещение из таблицы файлов используется в качестве начального смещения.
 
       #include ‹fcntl.h›
       main(argc, argv)
       int argc; char *argv[];
       {
        int fd, skval;
        char c;
        if (argc != 2) exit();
        fd = open(argv[1], O_RDONLY);
        if (fd == -1) exit();
        while ((skval = read(fd, &c,1 )) == 1)   {
         printf("char %c\n", c);
         skval = lseek(fd, 1023L, 1);
         printf("new seek val %d\n", skval);
        }
       }
       Рисунок 5.10. Программа, содержащая вызов системной функции lseek

      Процесс закрывает открытый файл, когда процессу больше не нужно обращаться к нему. Синтаксис вызова системной функции close (закрыть):
 
      close(fd);
 
      где fd — дескриптор открытого файла. Ядро выполняет операцию закрытия, используя дескриптор файла и информацию из соответствующих записей в таблице файлов и таблице индексов. Если счетчик ссылок в записи таблицы файлов имеет значение, большее, чем 1, в связи с тем, что были обращения к функциям dup или fork, то это означает, что на запись в таблице файлов делают ссылку другие пользовательские дескрипторы, что мы увидим далее; ядро уменьшает значение счетчика и операция закрытия завершается. Если счетчик ссылок в таблице файлов имеет значение, равное 1, ядро освобождает запись в таблице и индекс в памяти, ранее выделенный системной функцией open (алгоритм iput). Если другие процессы все еще ссылаются на индекс, ядро уменьшает значение счетчика ссылок на индекс, но оставляет индекс процессам; в противном случае индекс освобождается для переназначения, так как его счетчик ссылок содержит 0. Когда выполнение системной функции close завершается, запись в таблице пользовательских дескрипторов файла становится пустой. Попытки процесса использовать данный дескриптор заканчиваются ошибкой до тех пор, пока дескриптор не будет переназначен другому файлу в результате выполнения другой системной функции. Когда процесс завершается, ядро проверяет наличие активных пользовательских дескрипторов файла, принадлежавших процессу, и закрывает каждый из них. Таким образом, ни один процесс не может оставить файл открытым после своего завершения.
      На Рисунке 5.11, например, показаны записи из таблиц, приведенных на Рисунке 5.4, после того, как второй процесс закрывает соответствующие им файлы. Записи, соответствующие дескрипторам 3 и 4 в таблице пользовательских дескрипторов файлов, пусты. Счетчики в записях таблицы файлов теперь имеют значение 0, а сами записи пусты. Счетчики ссылок на файлы «/etc/passwd» и «private» в индексах также уменьшились. Индекс для файла «private» находится в списке свободных индексов, поскольку счетчик ссылок на него равен 0, но запись о нем не пуста. Если еще какой-нибудь процесс обратится к файлу «private», пока индекс еще находится в списке свободных индексов, ядро востребует индекс обратно, как показано в разделе 4.1.2.
 
       Рисунок 5.11. Таблицы после закрытия файла

      Системная функция open дает процессу доступ к существующему файлу, а системная функция creat создает в системе новый файл. Синтаксис вызова системной функции creat:
 
      fd = creat(pathname, modes);
 
      где переменные pathname, modes и fd имеют тот же смысл, что и в системной функции open. Если прежде такого файла не существовало, ядро создает новый файл с указанным именем и указанными правами доступа к нему; если же такой файл уже существовал, ядро усекает файл (освобождает все существующие блоки данных и устанавливает размер файла равным 0) при наличии соответствующих прав доступа к нему . На Рисунке 5.12 приведен алгоритм создания файла.
 
       алгоритм creat
       входная информация:
        имя файла
        установки прав доступа к файлу
       выходная информация: дескриптор файла
       {
        получить индекс для данного имени файла (алгоритм namei);
        if (файл уже существует)  {
         if (доступ не разрешен) {
          освободить индекс (алгоритм iput);
          return (ошибку);
         }
        }
        else { /* файл еще не существует */
         назначить свободный индекс из файловой системы (алгоритм ialloc);
         создать новую точку входа в родительском каталоге;
         включить имя нового файла и номер вновь назначенного индекса;
        }
        выделить для индекса запись в таблице файлов, инициализировать счетчик;
        if (файл существовал к моменту создания)  освободить все блоки файла (алгоритм free);
        снять блокировку (с индекса);
        return (пользовательский дескриптор файла);
       }
       Рисунок 5.12. Алгоритм создания файла
 
      Ядро проводит синтаксический анализ имени пути поиска, используя алгоритм namei и следуя этому алгоритму буквально, когда речь идет о разборе имен каталогов. Однако, когда дело касается последней компоненты имени пути поиска, а именно идентификатора создаваемого файла, namei отмечает смещение в байтах до первой пустой позиции в каталоге и запоминает это смещение в пространстве процесса. Если ядро не обнаружило в каталоге компоненту имени пути поиска, оно в конечном счете впишет имя компоненты в только что найденную пустую позицию. Если в каталоге нет пустых позиций, ядро запоминает смещение до конца каталога и создает новую позицию там. Оно также запоминает в пространстве процесса индекс просматриваемого каталога и держит индекс заблокированным; каталог становится по отношению к новому файлу родительским каталогом. Ядро не записывает пока имя нового файла в каталог, так что в случае возникновения ошибок ядру приходится меньше переделывать. Оно проверяет наличие у процесса разрешения на запись в каталог. Поскольку процесс будет производить запись в каталог в результате выполнения функции creat, наличие разрешения на запись в каталог означает, что процессам дозволяется создавать файлы в каталоге.
      Предположив, что под данным именем ранее не существовало файла, ядро назначает новому файлу индекс, используя алгоритм ialloc (раздел 4.6). Затем оно записывает имя нового файла и номер вновь выделенного индекса в родительский каталог, а смещение в байтах сохраняет в пространстве процесса. Впоследствии ядро освобождает индекс родительского каталога, удерживаемый с того времени, когда в каталоге производился поиск имени файла. Родительский каталог теперь содержит имя нового файла и его индекс. Ядро записывает вновь выделенный индекс на диск (алгоритм bwrite), прежде чем записать на диск каталог с новым именем. Если между операциями записи индекса и каталога произойдет сбой системы, в итоге окажется, что выделен индекс, на который не ссылается ни одно из имен путей поиска в системе, однако система будет функционировать нормально. Если, с другой стороны, каталог был записан раньше вновь выделенного индекса и сбой системы произошел между ними, файловая система будет содержать имя пути поиска, ссылающееся на неверный индекс (более подробно об этом см. в разделе 5.16.1).
      Если данный файл уже существовал до вызова функции creat, ядро обнаруживает его индекс во время поиска имени файла. Старый файл должен позволять процессу производить запись в него, чтобы можно было создать «новый» файл с тем же самым именем, так как ядро изменяет содержимое файла при выполнении функции creat: оно усекает файл, освобождая все информационные блоки по алгоритму free, так что файл будет выглядеть как вновь созданный. Тем не менее, владелец и права доступа к файлу остаются прежними: ядро не передает право собственности на файл владельцу процесса и игнорирует права доступа, указанные процессом в вызове функции. Наконец, ядро не проверяет наличие разрешения на запись в каталог, являющийся родительским для существующего файла, поскольку оно не меняет содержимого каталога.
      Функция creat продолжает работу, выполняя тот же алгоритм, что и функция open. Ядро выделяет созданному файлу запись в таблице файлов, чтобы процесс мог читать из файла, а также запись в таблице пользовательских дескрипторов файла, и в конце концов возвращает указатель на последнюю запись в виде пользовательского дескриптора файла.)

      Системная функция mknod создает в системе специальные файлы, в число которых включаются поименованные каналы, файлы устройств и каталоги. Она похожа на функцию creat в том, что ядро выделяет для файла индекс. Синтаксис вызова системной функции mknod:
 
      mknod(pathname, type and permissions, dev)
 
      где pathname — имя создаваемой вершины в иерархической структуре файловой системы, type and permissions — тип вершины (например, каталог) и права доступа к создаваемому файлу, а dev указывает старший и младший номера устройства для блочных и символьных специальных файлов (глава 10). На Рисунке 5.13 приведен алгоритм, реализуемый функцией mknod при создании новой вершины.
 
       алгоритм создания новой вершины
       входная информация:
        вершина (имя файла)
        тип файла
        права доступа
        старший, младший номера устройства (для блочных и символьных специальных файлов)
       выходная информация: отсутствует
       {
        if (новая вершина не является поименованным каналом и пользователь не является суперпользователем)
         return (ошибку);
        получить индекс вершины, являющейся родительской для новой вершины (алгоритм namei);
        if (новая вершина уже существует)  {
         освободить родительский индекс (алгоритм iput);
         return (ошибку);
        }
        назначить для новой вершины свободный индекс из файловой системы (алгоритм ialloc);
        создать новую запись в родительском каталоге;
        включить имя новой вершины и номер вновь назначенного индекса;
        освободить индекс родительского каталога (алгоритм iput);
        if (новая вершина является блочным или символьным специальным файлом)
         записать старший и младший номера в структуру индекса;
        освободить индекс новой вершины (алгоритм iput);
       }
       Рисунок 5.13. Алгоритм создания новой вершины
 
      Ядро просматривает файловую систему в поисках имени файла, который оно собирается создать. Если файл еще пока не существует, ядро назначает ему новый индекс на диске и записывает имя нового файла и номер индекса в родительский каталог. Оно устанавливает значение поля типа файла в индексе, указывая, что файл является каналом, каталогом или специальным файлом. Наконец, если файл является специальным файлом устройства блочного или символьного типа, ядро записывает в индекс старший и младший номера устройства. Если функция mknod создает каталог, он будет существовать по завершении выполнения функции, но его содержимое будет иметь неверный формат (в каталоге будут отсутствовать записи с именами «.» и «..»). В упражнении 5.33 рассматриваются шаги, необходимые для преобразования содержимого каталога в правильный формат.

      Когда система загружается впервые, нулевой процесс делает корневой каталог файловой системы текущим на время инициализации. Для индекса корневого каталога нулевой процесс выполняет алгоритм iget, сохраняет этот индекс в пространстве процесса в качестве индекса текущего каталога и снимает с индекса блокировку. Когда с помощью функции fork создается новый процесс, он наследует текущий каталог старого процесса в своем адресном пространстве, а ядро, соответственно, увеличивает значение счетчика ссылок в индексе.
 
       алгоритм смены каталога
       входная информация: имя нового каталога
       выходная информация: отсутствует
       {
        получить индекс для каталога с новым именем (алгоритм namei);
        if (индекс не является индексом каталога или же процессу не разрешен доступ к файлу)   {
         освободить индекс (алгоритм iput);
         return (ошибку);
        }
        снять блокировку с индекса;
        освободить индекс прежнего текущего каталога (алгоритм iput);
        поместить новый индекс в позицию для текущего каталога в пространстве процесса;
       }
       Рисунок 5.14. Алгоритм смены текущего каталога
 
      Алгоритм chdir (Рисунок 5.14) изменяет имя текущего каталога для процесса. Синтаксис вызова системной функции chdir:
 
      chdir(pathname);
 
      где pathname — каталог, который становится текущим для процесса. Ядро анализирует имя каталога, используя алгоритм namei, и проверяет, является ли данный файл каталогом и имеет ли владелец процесса право доступа к каталога. Ядро снимает с нового индекса блокировку, но удерживает индекс в качестве выделенного и оставляет счетчик ссылок без изменений, освобождает индекс прежнего текущего каталога (алгоритм iput), хранящийся в пространстве процесса, и запоминает в этом пространстве новый индекс. После смены процессом текущего каталога алгоритм namei использует индекс в качестве начального каталога при анализе всех имен путей, которые не берут начало от корня. По окончании выполнения системной функции chdir счетчик ссылок на индекс нового каталога имеет значение, как минимум, 1, а счетчик ссылок на индекс прежнего текущего каталога может стать равным 0. В этом отношении функция chdir похожа на функцию open, поскольку обе функции обращаются к файлу и оставляют его индекс в качестве выделенного. Индекс, выделенный во время выполнения функции chdir, освобождается только тогда, когда процесс меняет текущий каталог еще раз или когда процесс завершается.
      Процессы обычно используют глобальный корневой каталог файловой системы для всех имен путей поиска, начинающихся с «/». Ядро хранит глобальную переменную, которая указывает на индекс глобального корня, выделяемый по алгоритму iget при загрузке системы. Процессы могут менять свое представление о корневом каталоге файловой системы с помощью системной функции chroot. Это бывает полезно, если пользователю нужно создать модель обычной иерархической структуры файловой системы и запустить процессы там. Синтаксис вызова функции:
 
      chroot(pathname);
 
      где pathname — каталог, который впоследствии будет рассматриваться ядром в качестве корневого каталога для процесса. Выполняя функцию chroot, ядро следует тому же алгоритму, что и при смене текущего каталога. Оно запоминает индекс нового корня в пространстве процесса, снимая с индекса блокировку по завершении выполнения функции. Тем не менее, так как умолчание на корень для ядра хранится в глобальной переменной, ядро освобождает индекс прежнего корня не автоматически, а только после того, как оно само или процесс-предок исполнят вызов функции chroot. Новый индекс становится логическим корнем файловой системы для процесса (и для всех порожденных им процессов) и это означает, что все пути поиска в алгоритме namei, начинающиеся с корня («/»), возьмут начало с данного индекса и что все попытки войти в каталог «..» над корнем приведут к тому, что рабочим каталогом процесса останется новый корень. Процесс передает всем вновь порождаемым процессам этот каталог в качестве корневого подобно тому, как передает свой текущий каталог.

      Смена владельца или режима (прав) доступа к файлу является операцией, производимой над индексом, а не над файлом. Синтаксис вызова соответствующих системных функций:
 
      chown(pathname, owner, group)
      chmod(pathname, mode)
 
      Для того, чтобы поменять владельца файла, ядро преобразует имя файла в идентификатор индекса, используя алгоритм namei. Владелец процесса должен быть суперпользователем или владельцем файла (процесс не может распоряжаться тем, что не принадлежит ему). Затем ядро назначает файлу нового владельца и нового группового пользователя, сбрасывает флаги прежних установок (см. раздел 7.5) и освобождает индекс по алгоритму iput. После этого прежний владелец теряет право «собственности» на файл. Для того, чтобы поменять режим доступа к файлу, ядро выполняет процедуру, подобную описанной, вместо кода владельца меняя флаги, устанавливающие режим доступа.

      Системные функции stat и fstat позволяют процессам запрашивать информацию о статусе файла: типе файла, владельце файла, правах доступа, размере файла, числе связей, номере индекса и времени доступа к файлу. Синтаксис вызова функций:
 
      stat(pathname, statbuffer);
      fstat(fd, statbuffer);
 
      где pathname — имя файла, fd — дескриптор файла, возвращаемый функцией open, statbuffer — адрес структуры данных пользовательского процесса, где будет храниться информация о статусе файла после завершения выполнения вызова. Системные функции просто переписывают поля из индекса в структуру statbuffer. Программа на Рисунке 5.33 иллюстрирует использование функций stat и fstat.
       Рисунок 5.15. Дерево процессов и совместное использование каналов
 

5.12.1 Системная функция pipе

5.12.2 Открытие поименованного канала

5.12.3 Чтение из каналов и запись в каналы