Книга: Архитектура операционной системы UNIX

5.2 READ

5.2 READ

Синтаксис вызова системной функции read (читать):

number = read(fd, buffer, count)

где fd — дескриптор файла, возвращаемый функцией open, buffer — адрес структуры данных в пользовательском процессе, где будут размещаться считанные данные в случае успешного завершения выполнения функции read, count — количество байт, которые пользователю нужно прочитать, number — количество фактически прочитанных байт. На Рисунке 5.5 приведен алгоритм read, выполняющий чтение обычного файла. Ядро обращается в таблице файлов к записи, которая соответствует значению пользовательского дескриптора файла, следуя за указателем (см. Рисунок 5.3). Затем оно устанавливает значения нескольких параметров ввода-вывода в адресном пространстве процесса (Рисунок 5.6), тем самым устраняя необходимость в их передаче в качестве параметров функции. В частности, ядро указывает в качестве режима ввода-вывода «чтение», устанавливает флаг, свидетельствующий о том, что ввод-вывод направляется в адресное пространство пользователя, значение поля счетчика байтов приравнивает количеству байт, которые будут прочитаны, устанавливает адрес пользовательского буфера данных и, наконец, значение смещения (из таблицы файлов), равное смещению в байтах внутри файла до места, откуда начинается ввод-вывод. После того, как ядро установит значения параметров ввода-вывода в адресном пространстве процесса, оно обращается к индексу, используя указатель из таблицы файлов, и блокирует его прежде, чем начать чтение из файла.

алгоритм read
входная информация:
 пользовательский дескриптор файла
 адрес буфера в пользовательском процессе
 количество байт, которые нужно прочитать
выходная информация: количество байт, скопированных в пользовательское пространство
{
 обратиться к записи в таблице файлов по значению пользовательского дескриптора файла;
 проверить доступность файла;
 установить параметры в адресном пространстве процесса, указав адрес пользователя, счетчик байтов, параметры ввода-вывода для пользователя;
 получить индекс по записи в таблице файлов;
 заблокировать индекс;
 установить значение смещения в байтах для адресного пространства процесса по значению смещения в таблице файлов;
 do (пока значение счетчика байтов не станет удовлетворительным)  {
  превратить смещение в файле в номер дискового блока (алгоритм bmap);
  вычислить смещение внутри блока и количество байт, которые будут прочитаны;
  if (количество байт для чтения == 0) /* попытка чтения конца файла */ break; /* выход из цикла */
  прочитать блок (алгоритм breada, если производится чтение с продвижением, и алгоритм bread — в противном случае);
  скопировать данные из системного буфера по адресу пользователя;
  скорректировать значения полей в адресном пространстве процесса, указывающие смещение в байтах внутри файла, количество прочитанных байт и адрес для передачи в пространство пользователя;
  освободить буфер; /* заблокированный в алгоритме bread */
 }
 разблокировать индекс;
 скорректировать значение смещения в таблице файлов для следующей операции чтения;
 return (общее число прочитанных байт);
}

Рисунок 5.5. Алгоритм чтения из файла

mode чтение или запись

count количество байт для чтения или записи

offset смещение в байтах внутри файла

address адрес места, куда будут копироваться данные, в памяти пользователя или ядра

flag отношение адреса к памяти пользователя или к памяти ядра

Рисунок 5.6. Параметры ввода-вывода, хранящиеся в пространстве процесса

Затем в алгоритме начинается цикл, выполняющийся до тех пор, пока операция чтения не будет произведена до конца. Ядро преобразует смещение в байтах внутри файла в номер блока, используя алгоритм bmap, и вычисляет смещение внутри блока до места, откуда следует начать ввод-вывод, а также количество байт, которые будут прочитаны из блока. После считывания блока в буфер, возможно, с продвижением (алгоритмы bread и breada) ядро копирует данные из блока по назначенному адресу в пользовательском процессе. Оно корректирует параметры ввода-вывода в адресном пространстве процесса в соответствии с количеством прочитанных байт, увеличивая значение смещения в байтах внутри файла и адрес места в пользовательском процессе, куда будет доставлена следующая порция данных, и уменьшая число байт, которые необходимо прочитать, чтобы выполнить запрос пользователя. Если запрос пользователя не удовлетворен, ядро повторяет весь цикл, преобразуя смещение в байтах внутри файла в номер блока, считывая блок с диска в системный буфер, копируя данные из буфера в пользовательский процесс, освобождая буфер и корректируя значения параметров ввода-вывода в адресном пространстве процесса. Цикл завершается, либо когда ядро выполнит запрос пользователя полностью, либо когда в файле больше не будет данных, либо если ядро обнаружит ошибку при чтении данных с диска или при копировании данных в пространство пользователя. Ядро корректирует значение смещения в таблице файлов в соответствии с количеством фактически прочитанных байт; поэтому успешное выполнение операций чтения выглядит как последовательное считывание данных из файла. Системная операция lseek (раздел 5.6) устанавливает значение смещения в таблице файлов и изменяет порядок, в котором процесс читает или записывает данные в файле.

#include ‹fcntl.h›
main() {
 int fd;
 char lilbuf[20], bigbuf[1024];
 fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
 read(fd, lilbuf, 20);
 read(fd, bigbuf, 1024);
 read(fd, lilbuf, 20);
}

Рисунок 5.7. Пример программы чтения из файла

Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 5.7. Функция open возвращает дескриптор файла, который пользователь засылает в переменную fd и использует в последующих вызовах функции read. Выполняя функцию read, ядро проверяет, правильно ли задан параметр «дескриптор файла», а также был ли файл предварительно открыт процессом для чтения. Оно сохраняет значение адреса пользовательского буфера, количество считываемых байт и начальное смещение в байтах внутри файла (соответственно: lilbuf, 20 и 0), в пространстве процесса. В результате вычислений оказывается, что нулевое значение смещения соответствует нулевому блоку файла, и ядро возвращает точку входа в индекс, соответствующую нулевому блоку. Предполагая, что такой блок существует, ядро считывает полный блок размером 1024 байта в буфер, но по адресу lilbuf копирует только 20 байт. Оно увеличивает смещение внутри пространства процесса на 20 байт и сбрасывает счетчик данных в 0. Поскольку операция read выполнилась, ядро переустанавливает значение смещения в таблице файлов на 20, так что последующие операции чтения из файла с данным дескриптором начнутся с места, расположенного со смещением 20 байт от начала файла, а системная функция возвращает число байт, фактически прочитанных, т. е. 20.

При повторном вызове функции read ядро вновь проверяет корректность указания дескриптора и наличие соответствующего файла, открытого процессом для чтения, поскольку оно никак не может узнать, что запрос пользователя на чтение касается того же самого файла, существование которого было установлено во время последнего вызова функции. Ядро сохраняет в пространстве процесса пользовательский адрес bigbuf, количество байт, которые нужно прочитать процессу (1024), и начальное смещение в файле (20), взятое из таблицы файлов. Ядро преобразует смещение внутри файла в номер дискового блока, как раньше, и считывает блок. Если между вызовами функции read прошло непродолжительное время, есть шансы, что блок находится в буферном кеше. Однако, ядро не может полностью удовлетворить запрос пользователя на чтение за счет содержимого буфера, поскольку только 1004 байта из 1024 для данного запроса находятся в буфере. Поэтому оно копирует оставшиеся 1004 байта из буфера в пользовательскую структуру данных bigbuf и корректирует параметры в пространстве процесса таким образом, чтобы следующий шаг цикла чтения начинался в файле с байта 1024, при этом данные следует копировать по адресу байта 1004 в bigbuf в объеме 20 байт, чтобы удовлетворить запрос на чтение.

Теперь ядро переходит к началу цикла, содержащегося в алгоритме read. Оно преобразует смещение в байтах (1024) в номер логического блока (1), обращается ко второму блоку прямой адресации, номер которого хранится в индексе, и отыскивает точный дисковый блок, из которого будет производиться чтение. Ядро считывает блок из буферного кеша или с диска, если в кеше данный блок отсутствует. Наконец, оно копирует 20 байт из буфера по уточненному адресу в пользовательский процесс. Прежде чем выйти из системной функции, ядро устанавливает значение поля смещения в таблице файлов равным 1044, то есть равным значению смещения в байтах до места, куда будет производиться следующее обращение. В последнем вызове функции read из примера ядро ведет себя, как и в первом обращении к функции, за исключением того, что чтение из файла в данном случае начинается с байта 1044, так как именно это значение будет обнаружено в поле смещения той записи таблицы файлов, которая соответствует указанному дескриптору.

Пример показывает, насколько выгодно для запросов ввода-вывода работать с данными, начинающимися на границах блоков файловой системы и имеющими размер, кратный размеру блока. Это позволяет ядру избегать дополнительных итераций при выполнении цикла в алгоритме read и всех вытекающих последствий, связанных с дополнительными обращениями к индексу в поисках номера блока, который содержит данные, и с конкуренцией за использование буферного пула. Библиотека стандартных модулей ввода-вывода создана таким образом, чтобы скрыть от пользователей размеры буферов ядра; ее использование позволяет избежать потерь производительности, присущих процессам, работающим с небольшими порциями данных, из-за чего их функционирование на уровне файловой системы неэффективно (см. упражнение 5.4).

Выполняя цикл чтения, ядро определяет, является ли файл объектом чтения с продвижением: если процесс считывает последовательно два блока, ядро предполагает, что все очередные операции будут производить последовательное чтение, до тех пор, пока не будет утверждено обратное. На каждом шаге цикла ядро запоминает номер следующего логического блока в копии индекса, хранящейся в памяти, и на следующем шаге сравнивает номер текущего логического блока со значением, запомненным ранее. Если эти номера равны, ядро вычисляет номер физического блока для чтения с продвижением и сохраняет это значение в пространстве процесса для использования в алгоритме breada. Конечно же, пока процесс не считал конец блока, ядро не запустит алгоритм чтения с продвижением для следующего блока.

Обратившись к Рисунку 4.9, вспомним, что номера некоторых блоков в индексе или в блоках косвенной адресации могут иметь нулевое значение, пусть даже номера последующих блоков и ненулевые. Если процесс попытается прочитать данные из такого блока, ядро выполнит запрос, выделяя произвольный буфер в цикле read, очищая его содержимое и копируя данные из него по адресу пользователя. Этот случай не имеет ничего общего с тем случаем, когда процесс обнаруживает конец файла, говорящий о том, что после этого места запись информации никогда не производилась. Обнаружив конец файла, ядро не возвращает процессу никакой информации (см. упражнение 5.1).

Когда процесс вызывает системную функцию read, ядро блокирует индекс на время выполнения вызова. Впоследствии, этот процесс может приостановиться во время чтения из буфера, ассоциированного с данными или с блоками косвенной адресации в индексе. Если еще одному процессу дать возможность вносить изменения в файл в то время, когда первый процесс приостановлен, функция read может возвратить несогласованные данные. Например, процесс может считать из файла несколько блоков; если он приостановился во время чтения первого блока, а второй процесс собирался вести запись в другие блоки, возвращаемые данные будут содержать старые данные вперемешку с новыми. Таким образом, индекс остается заблокированным на все время выполнения вызова функции read для того, чтобы процессы могли иметь целостное видение файла, то есть видение того образа, который был у файла перед вызовом функции.

Ядро может выгружать процесс, ведущий чтение, в режим задачи на время между двумя вызовами функций и планировать запуск других процессов. Так как по окончании выполнения системной функции с индекса снимается блокировка, ничто не мешает другим процессам обращаться к файлу и изменять его содержимое. Со стороны системы было бы несправедливо держать индекс заблокированным все время от момента, когда процесс открыл файл, и до того момента, когда файл будет закрыт этим процессом, поскольку тогда один процесс будет держать все время файл открытым, тем самым не давая другим процессам возможности обратиться к файлу. Если файл имеет имя «/etc/ passwd», то есть является файлом, используемым в процессе регистрации для проверки пользовательского пароля, один пользователь может умышленно (или, возможно, неумышленно) воспрепятствовать регистрации в системе всех остальных пользователей. Чтобы предотвратить возникновение подобных проблем, ядро снимает с индекса блокировку по окончании выполнения каждого вызова системной функции, использующей индекс. Если второй процесс внесет изменения в файл между двумя вызовами функции read, производимыми первым процессом, первый процесс может прочитать непредвиденные данные, однако структуры данных ядра сохранят свою согласованность.

Предположим, к примеру, что ядро выполняет два процесса, конкурирующие между собой (Рисунок 5.8). Если допустить, что оба процесса выполняют операцию open до того, как любой из них вызывает системную функцию read или write, ядро может выполнять функции чтения и записи в любой из шести последовательностей: чтение1, чтение2, запись1, запись2, или чтение1, запись1, чтение2, запись2, или чтение1, запись1, запись2, чтение2 и т. д. Состав информации, считываемой процессом A, зависит от последовательности, в которой система выполняет функции, вызываемые двумя процессами; система не гарантирует, что данные в файле останутся такими же, какими они были после открытия файла. Использование возможности захвата файла и записей (раздел 5.4) позволяет процессу гарантировать сохранение целостности файла после его открытия.

#include ‹fcntl.h›
/* процесс A */
main() {
 int fd;
 char buf[512];
 fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
 read(fd, buf, sizeof(buf)); /* чтение1 */
 read(fd, buf, sizeof(buf)); /* чтение2 */
}
/* процесс B */
main() {
 int fd, i;
 char buf[512];
 for (i = 0; i ‹ sizeof(buf); i++) buf[i] = 'a';
 fd = open("/etc/passwd", O_WRONLY);
 write(fd, buf, sizeof(buf)); /* запись1 */
 write(fd, buf, sizeof(buf)); /* запись2 */
}

Рисунок 5.8. Процессы, ведущие чтение и запись файла

Наконец, программа на Рисунке 5.9 показывает, как процесс может открывать файл более одного раза и читать из него, используя разные файловые дескрипторы. Ядро работает со значениями смещений в таблице файлов, ассоциированными с двумя файловыми дескрипторами, независимо, и поэтому массивы buf1 и buf2 будут по завершении выполнения процесса идентичны друг другу при условии, что ни один процесс в это время не производил запись в файл «/etc/passwd».

#include ‹fcntl.h›
main() {
 int fd1, fd2;
 char buf1[512], buf2[512];
 fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
 fd2 = open("/etc/passwd", O_RDONLY); 
 read(fd1, buf1, sizeof(buf1));
 read(fd2, buf2, sizeof(buf2));
}

Рисунок 5.9. Чтение из файла с использованием двух дескрипторов

Оглавление книги