Sistemato memory mapping
[gapil.git] / fileadv.tex
1 \chapter{La gestione avanzata dei file}
2 \label{cha:file_advanced}
3
4 In questo capitolo affronteremo le tematiche relative alla gestione avanzata
5 dei file, che non sono state trattate in \capref{cha:file_unix_interface},
6 dove ci si è limitati ad una panoramica delle funzioni base. In particolare
7 tratteremo delle funzioni di input/output avanzato e del \textit{file
8   locking}.
9
10
11 \section{Le funzioni di I/O avanzato}
12 \label{sec:file_advanced_io}
13
14 In questa sezione esamineremo le funzioni che permettono una gestione più
15 sofisticata dell'I/O su file, a partire da quelle che permettono di gestire
16 l'accesso contemporaneo a più file, per concludere con la gestione dell'I/O
17 mappato in memoria.
18
19
20 \subsection{La modalità di I/O \textsl{non-bloccante}}
21 \label{sec:file_noblocking}
22
23 Abbiamo visto in \secref{sec:sig_gen_beha}, affrontando la suddivisione fra
24 \textit{fast} e \textit{slow} system call, che in certi casi le funzioni di
25 I/O possono bloccarsi indefinitamente.\footnote{si ricordi però che questo può
26   accadere solo per le pipe, i socket ed alcuni file di dispositivo; sui file
27   normali le funzioni di lettura e scrittura ritornano sempre subito.}  Ad
28 esempio le operazioni di lettura possono bloccarsi quando non ci sono dati
29 disponibili sul descrittore su cui si sta operando.
30
31 Questo comportamento causa uno dei problemi più comuni che ci si trova ad
32 affrontare nelle operazioni di I/O, che è quello che si verifica quando si
33 devono eseguire operazioni che possono bloccarsi su più file descriptor:
34 mentre si è bloccati su uno di essi su di un'altro potrebbero essere presenti
35 dei dati; così che nel migliore dei casi si avrebbe una lettura ritardata
36 inutilmente, e nel peggiore si potrebbe addirittura arrivare ad un deadlock.
37
38 Abbiamo già accennato in \secref{sec:file_open} che è possibile prevenire
39 questo tipo di comportamento aprendo un file in modalità
40 \textsl{non-bloccante}, attraverso l'uso del flag \macro{O\_NONBLOCK} nella
41 chiamata di \func{open}. In questo caso le funzioni di input/output che
42 altrimenti si sarebbero bloccate ritornano immediatamente, restituendo
43 l'errore \macro{EAGAIN}.
44
45 L'utilizzo di questa modalità di I/O permette di risolvere il problema
46 controllando a turno i vari file descriptor, in un ciclo in cui si ripete
47 l'accesso fintanto che esso non viene garantito.  Ovviamente questa tecnica,
48 detta \textit{polling}, è estremamente inefficiente: si tiene costantemente
49 impiegata la CPU solo per eseguire in continuazione delle system call che
50 nella gran parte dei casi falliranno. Per evitare questo, come vedremo in
51 \secref{sec:file_multiplexing}, è stata introdotta una nuova interfaccia di
52 programmazione, che comporta comunque l'uso della modalità di I/O non
53 bloccante.
54
55
56
57 \subsection{L'I/O multiplexing}
58 \label{sec:file_multiplexing}
59
60 Per superare il problema di dover usare il \textit{polling} per controllare la
61 possibilità di effettuare operazioni su un file aperto in modalità non
62 bloccante, sia BSD che System V hanno introdotto delle nuove funzioni in grado
63 di sospendere l'esecuzione di un processo in attesa che l'accesso diventi
64 possibile.  Il primo ad introdurre questa modalità di operazione, chiamata
65 usualmente \textit{I/O multiplexing}, è stato BSD,\footnote{la funzione è
66   apparsa in BSD4.2 e standardizzata in BSD4.4, ma è stata portata su tutti i
67   sistemi che supportano i \textit{socket}, compreso le varianti di System V.}
68 con la funzione \func{select}, il cui prototipo è:
69 \begin{functions}
70   \headdecl{sys/time.h}
71   \headdecl{sys/types.h}
72   \headdecl{unistd.h}
73   \funcdecl{int select(int n, fd\_set *readfds, fd\_set *writefds, fd\_set
74     *exceptfds, struct timeval *timeout)}
75   
76   Attende che uno dei file descriptor degli insiemi specificati diventi
77   attivo.
78   
79   \bodydesc{La funzione in caso di successo restituisce il numero di file
80     descriptor (anche nullo) che sono attivi, e -1 in caso di errore, nel qual
81     caso \var{errno} viene impostata ai valori:
82   \begin{errlist}
83   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
84   degli insiemi.
85   \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
86   \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo.
87   \end{errlist}
88   ed inoltre \macro{ENOMEM}.
89 }
90 \end{functions}
91
92 La funzione mette il processo in stato di \textit{sleep} (vedi
93 \tabref{tab:proc_proc_states}) fintanto che almeno uno dei file descriptor
94 degli insiemi specificati (\param{readfds}, \param{writefds} e
95 \param{exceptfds}), non diventa attivo, per un tempo massimo specificato da
96 \param{timeout}.
97
98 Per specificare quali file descriptor si intende \textsl{selezionare}, la
99 funzione usa un particolare oggetto, il \textit{file descriptor set},
100 identificato dal tipo \type{fd\_set}, che serve ad identificare un insieme di
101 file descriptor, (in maniera analoga a come un \textit{signal set}, vedi
102 \secref{sec:sig_sigset}, identifica un insieme di segnali). Per la
103 manipolazione di questi \textit{file descriptor set} si possono usare delle
104 opportune macro di preprocessore:
105 \begin{functions}
106   \headdecl{sys/time.h}
107   \headdecl{sys/types.h}
108   \headdecl{unistd.h}
109   \funcdecl{FD\_ZERO(fd\_set *set)}
110   Inizializza l'insieme (vuoto).
111
112   \funcdecl{FD\_SET(int fd, fd\_set *set)}
113   Inserisce il file descriptor \param{fd} nell'insieme.
114
115   \funcdecl{FD\_CLR(int fd, fd\_set *set)}
116   Rimuove il file descriptor \param{fd} nell'insieme.
117   
118   \funcdecl{FD\_ISSET(int fd, fd\_set *set)}
119   Controlla se il file descriptor \param{fd} è nell'insieme.
120 \end{functions}
121
122 In genere un \textit{file descriptor set} può contenere fino ad un massimo di
123 \macro{FD\_SETSIZE} file descriptor.  Questo valore in origine corrispondeva
124 al limite per il numero massimo di file aperti\footnote{ad esempio in Linux,
125   fino alla serie 2.0.x, c'era un limite di 256 file per processo.}, ma
126 quando, come nelle versioni più recenti del kernel, non c'è più un limite
127 massimo, esso indica le dimensioni massime dei numeri usati nei \textit{file
128   descriptor set}.
129
130 La funzione richiede di specificare tre insiemi distinti di file descriptor;
131 il primo, \param{readfds}, verrà osservato per rilevare la disponibilità di
132 effettuare una lettura, il secondo, \param{writefds}, per verificare la
133 possibilità effettuare una scrittura ed il terzo, \param{exceptfds}, per
134 verificare l'esistenza di condizioni eccezionali (come i messaggi urgenti su
135 un \textit{socket}\index{socket}, vedi \secref{sec:xxx_urgent}).
136
137 La funzione inoltre richiede anche di specificare, tramite l'argomento
138 \param{n}, un valore massimo del numero dei file descriptor usati
139 nell'insieme; si può usare il già citato \macro{FD\_SETSIZE}, oppure il numero
140 più alto dei file descriptor usati nei tre insiemi, aumentato di uno.
141
142 Infine l'argomento \param{timeout}, specifica un tempo massimo di
143 attesa\footnote{il tempo è valutato come \textit{elapsed time}.} prima che la
144 funzione ritorni; se impostato a \macro{NULL} la funzione attende
145 indefinitamente. Si può specificare anche un tempo nullo (cioè una \var{struct
146   timeval} con i campi impostati a zero), qualora si voglia semplicemente
147 controllare lo stato corrente dei file descriptor.
148
149 La funzione restituisce il totale dei file descriptor pronti nei tre insiemi,
150 il valore zero indica sempre che si è raggiunto un timeout. Ciascuno dei tre
151 insiemi viene sovrascritto per indicare quale file descriptor è pronto per le
152 operazioni ad esso relative, in modo da poterlo controllare con la macro
153 \macro{FD\_ISSET}. In caso di errore la funzione restituisce -1 e gli insiemi
154 non vengono toccati.
155
156 In Linux \func{select} modifica anche il valore di \param{timeout},
157 impostandolo al tempo restante; questo è utile quando la funzione viene
158 interrotta da un segnale, in tal caso infatti si ha un errore di
159 \macro{EINTR}, ed occorre rilanciare la funzione; in questo modo non è
160 necessario ricalcolare tutte le volte il tempo rimanente.\footnote{questo può
161   causare problemi di portabilità sia quando si trasporta codice scritto su
162   Linux che legge questo valore, sia quando si usano programmi scritti per
163   altri sistemi che non dispongono di questa caratteristica e ricalcolano
164   \param{timeout} tutte le volte. In genere la caratteristica è disponibile
165   nei sistemi che derivano da System V e non disponibile per quelli che
166   derivano da BSD.}
167
168 Come accennato l'interfaccia di \func{select} è una estensione di BSD; anche
169 System V ha introdotto una sua interfaccia per gestire l'\textit{I/O
170   multiplexing}, basata sulla funzione \func{poll},\footnote{la funzione è
171   prevista dallo standard XPG4, ed è stata introdotta in Linux come system
172   call a partire dal kernel 2.1.23 e dalle \acr{libc} 5.4.28.} il cui prototipo è:
173 \begin{prototype}{sys/poll.h}
174   {int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout)}
175
176 La funzione attente un cambiamento di stato per uno dei file descriptor
177 specificati da \param{ufds}.
178   
179 \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor con attività in
180   caso di successo, o 0 se c'è stato un timeout; in caso di errore viene
181   restituito  -1 ed \var{errno} viene impostata ai valori:
182   \begin{errlist}
183   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
184   degli insiemi.
185   \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
186   \end{errlist}
187   ed inoltre \macro{EFAULT} e \macro{ENOMEM}.}
188 \end{prototype}
189
190 La funzione tiene sotto controllo un numero \param{ndfs} di file descriptor
191 specificati attraverso un vettore di puntatori a strutture di tipo
192 \type{pollfd}, la cui definizione è riportata in \figref{fig:file_pollfd}.
193 Come \func{select} anche \func{poll} permette di interrompere l'attesa dopo un
194 certo tempo, che va specificato attraverso \param{timeout} in numero di
195 millisecondi (un valore negativo indica un'attesa indefinita).
196
197 \begin{figure}[!htb]
198   \footnotesize \centering
199   \begin{minipage}[c]{15cm}
200     \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
201 struct pollfd {
202         int fd;           /* file descriptor */
203         short events;     /* requested events */
204         short revents;    /* returned events */
205 };
206     \end{lstlisting}
207   \end{minipage} 
208   \normalsize 
209   \caption{La struttura \type{pollfd}, utilizzata per specificare le modalità
210     di controllo di un file descriptor alla funzione \func{poll}.}
211   \label{fig:file_pollfd}
212 \end{figure}
213
214 Per ciascun file da controllare deve essere opportunamente predisposta una
215 struttura \type{pollfd}; nel campo \var{fd} deve essere specificato il file
216 descriptor, mentre nel campo \var{events} il tipo di evento su cui si vuole
217 attendere; quest'ultimo deve essere specificato come maschera binaria dei
218 primi tre valori riportati in \tabref{tab:file_pollfd_flags} (gli altri
219 vengono utilizzati solo per \var{revents} come valori in uscita).
220
221 \begin{table}[htb]
222   \centering
223   \footnotesize
224   \begin{tabular}[c]{|l|c|l|}
225     \hline
226     \textbf{Flag} & \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
227     \hline
228     \hline
229     \macro{POLLIN}    & 0x001 & È possibile la lettura immediata.\\
230     \macro{POLLPRI}   & 0x002 & Sono presenti dati urgenti.\\
231     \macro{POLLOUT}   & 0x004 & È possibile la scrittura immediata.\\
232     \hline
233     \macro{POLLERR}   & 0x008 & C'è una condizione di errore.\\
234     \macro{POLLHUP}   & 0x010 & Si è verificato un hung-up.\\
235     \macro{POLLNVAL}  & 0x020 & Il file descriptor non è aperto.\\
236     \hline
237     \macro{POLLRDNORM}& 0x040 & Sono disponibili in lettura dati normali.\\ 
238     \macro{POLLRDBAND}& 0x080 & Sono disponibili in lettura dati ad alta 
239                                 priorità. \\
240     \macro{POLLWRNORM}& 0x100 & È possibile la scrittura di dati normali.  \\ 
241     \macro{POLLWRBAND}& 0x200 & È possibile la scrittura di dati ad 
242                                 alta priorità. \\
243     \macro{POLLMSG}   & 0x400 & Estensione propria di Linux.\\
244     \hline    
245   \end{tabular}
246   \caption{Costanti per l'identificazione dei vari bit dei campi
247     \var{events} e \var{revents} di \type{pollfd}.}
248   \label{tab:file_pollfd_flags}
249 \end{table}
250
251 La funzione ritorna, restituendo il numero di file per i quali si è verificata
252 una delle condizioni di attesa richieste od un errore. Lo stato dei file
253 all'uscita della funzione viene restituito nel campo \var{revents} della
254 relativa struttura \type{pollfd}, che viene impostato alla maschera binaria
255 dei valori riportati in \tabref{tab:file_pollfd_flags}, ed oltre alle tre
256 condizioni specificate tramite \var{events} può riportare anche l'occorrere di
257 una condizione di errore.
258
259 Lo standard POSIX è rimasto a lungo senza primitive per l'\textit{I/O
260   multiplexing}, che è stata introdotto con le ultime revisioni dello standard
261 (POSIX 1003.1g-2000 e POSIX 1003.1-2001). Esso prevede che tutte le funzioni
262 ad esso relative vengano dichiarate nell'header \file{sys/select.h}, che
263 sostituisce i precedenti, ed aggiunge a \func{select} una nuova funzione
264 \func{pselect},\footnote{il supporto per lo standard POSIX 1003.1-2001, ed
265   l'header \file{sys/select.h}, compaiono in Linux a partire dalle \acr{glibc}
266   2.1. Le \acr{libc4} e \acr{libc5} non contengono questo header, le
267   \acr{glibc} 2.0 contengono una definizione sbagliata di \func{psignal},
268   senza l'argomento \param{sigmask}, la definizione corretta è presente dalle
269   \acr{glibc} 2.1-2.2.1 se si è definito \macro{\_GNU\_SOURCE} e nelle
270   \acr{glibc} 2.2.2-2.2.4 se si è definito \macro{\_XOPEN\_SOURCE} con valore
271   maggiore di 600.} il cui prototipo è:
272 \begin{prototype}{sys/select.h}
273   {int pselect(int n, fd\_set *readfds, fd\_set *writefds, fd\_set *exceptfds,
274     struct timespec *timeout, sigset\_t *sigmask)}
275   
276   Attende che uno dei file descriptor degli insiemi specificati diventi
277   attivo.
278   
279   \bodydesc{La funzione in caso di successo restituisce il numero di file
280     descriptor (anche nullo) che sono attivi, e -1 in caso di errore, nel qual
281     caso \var{errno} viene impostata ai valori:
282   \begin{errlist}
283   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
284   degli insiemi.
285   \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
286   \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo.
287   \end{errlist}
288   ed inoltre \macro{ENOMEM}.}
289 \end{prototype}
290
291 La funzione è sostanzialmente identica a \func{select}, solo che usa una
292 struttura \type{timespec} per indicare con maggiore precisione il timeout e
293 non ne aggiorna il valore in caso di interruzione, inoltre prende un argomento
294 aggiuntivo \param{sigmask} che è il puntatore ad una maschera di segnali (si
295 veda \secref{sec:sig_sigmask}). La maschera corrente viene sostituita da
296 questa immediatamente prima di eseguire l'attesa, e ripristinata al ritorno
297 della funzione.
298
299 L'uso di \param{sigmask} è stato introdotto allo scopo di prevenire possibili
300 race condition\footnote{in Linux però, non esistendo una system call apposita,
301   la funzione è implementata nelle \acr{glibc} usando \func{select}, e la
302   possibilità di una race condition resta.} quando si deve eseguire un test su
303 una variabile assegnata da un manipolatore sulla base dell'occorrenza di un
304 segnale per decidere se lanciare \func{select}. Fra il test e l'esecuzione è
305 presente una finestra in cui potrebbe arrivare il segnale che non sarebbe
306 rilevato; la race condition diventa superabile disabilitando il segnale prima
307 del test e riabilitandolo poi grazie all'uso di \param{sigmask}.
308
309
310
311 \subsection{L'\textsl{I/O asincrono}}
312 \label{sec:file_asyncronous_io}
313
314 Una modalità alternativa all'uso dell'\textit{I/O multiplexing} è quella di
315 fare ricorso al cosiddetto \textsl{I/O asincrono}. Il concetto base
316 dell'\textsl{I/O asincrono} è che le funzioni di I/O non attendono il
317 completamento delle operazioni prima di ritornare, così che il processo non
318 viene bloccato.  In questo modo diventa ad esempio possibile effettuare una
319 richiesta preventiva di dati, in modo da poter effettuare in contemporanea le
320 operazioni di calcolo e quelle di I/O.
321
322 Abbiamo accennato in \secref{sec:file_open} che è possibile, attraverso l'uso
323 del flag \macro{O\_ASYNC},\footnote{l'uso del flag di \macro{O\_ASYNC} e dei
324   comandi \macro{F\_SETOWN} e \macro{F\_GETOWN} per \func{fcntl} è specifico
325   di Linux e BSD.} aprire un file in modalità asincrona, così come è possibile
326 attivare in un secondo tempo questa modalità impostando questo flag attraverso
327 l'uso di \func{fcntl} con il comando \macro{F\_SETFL} (vedi
328 \secref{sec:file_fcntl}).
329
330 In realtà in questo caso non si tratta di I/O asincrono vero e proprio, quanto
331 di un meccanismo asincrono di notifica delle variazione dello stato del file
332 descriptor; quello che succede è che il sistema genera un segnale (normalmente
333 \macro{SIGIO}, ma è possibile usarne altri) tutte le volte che diventa
334 possibile leggere o scrivere dal file descriptor che si è posto in questa
335 modalità. Si può inoltre selezionare, con il comando \macro{F\_SETOWN} di
336 \func{fcntl}, quale processo (o gruppo di processi) riceverà il segnale. 
337
338 In questo modo si può evitare l'uso delle funzioni \func{poll} o \func{select}
339 che, quando vengono usate con un numero molto grande di file descriptor, non
340 hanno buone prestazioni. In tal caso infatti la maggior parte del loro tempo
341 di esecuzione è impegnato ad eseguire una scansione su tutti i file descriptor
342 tenuti sotto controllo per determinare quali di essi (in genere una piccola
343 percentuale) sono diventati attivi.
344
345 Tuttavia con l'implementazione classica dei segnali questa modalità di I/O
346 presenta notevoli problemi, dato che non è possibile determinare, quando sono
347 più di uno, qual'è il file descriptor responsabile dell'emissione del segnale.
348 Linux però supporta le estensioni POSIX.1b dei segnali che permettono di
349 superare il problema facendo ricorso alle informazioni aggiuntive restituite
350 attraverso la struttura \type{siginfo\_t}, utilizzando la forma estesa
351 \var{sa\_sigaction} del manipolatore (si riveda quanto illustrato in
352 \secref{sec:sig_sigaction}).
353
354 Per far questo però occorre utilizzare le funzionalità dei segnali real-time
355 (vedi \secref{sec:sig_real_time}) imopstando esplicitamente con il comando
356 \macro{F\_SETSIG} di \func{fcntl} un segnale real-time da inviare in caso di
357 I/O asincrono (il segnale predefinito è \macro{SIGIO}). In questo caso il
358 manipolatore tutte le volte che riceverà \macro{SI\_SIGIO} come valore del
359 campo \var{si\_code}\footnote{il valore resta \macro{SI\_SIGIO} qualunque sia
360   il segnale che si è associato all'I/O asincrono, ed indica appunto che il
361   segnale è stato generato a causa di attività nell'I/O asincrono.} di
362 \type{siginfo\_t}, troverà nel campo \var{si\_fd} il valore del file
363 descriptor che ha generato il segnale.
364
365 Un secondo vantaggio dell'uso dei segnali real-time è che essendo dotati di
366 una coda di consegna ogni segnale sarà associato ad uno solo file descriptor;
367 inoltre sarà possibile stabilire delle priorità nella risposta a seconda del
368 segnale usato. In questo modo si può identificare immediatamente un file su
369 cui l'accesso è diventato possibile evitando completamente l'uso di funzioni
370 come \func{poll} e \func{select}, almeno fintanto che non si satura la coda;
371 si eccedono le dimensioni di quest'ultima; in tal caso infatti il kernel, non
372 potendo più assicurare il comportamento corretto per un segnale real-time,
373 invierà al suo posto un \var{SIGIO}, su cui si accumuleranno tutti i segnali
374 in eccesso, e si dovrà determinare al solito modo quali sono i file diventati
375 attivi.
376
377 Benché la modalità di apertura asincrona di un file possa risultare utile in
378 varie occasioni (in particolar modo con i socket e gli altri file per i quali
379 le funzioni di I/O sono system call lente), essa è comunque limitata alla
380 notifica della disponibilità del file descriptor per le operazioni di I/O, e
381 non ad uno svolgimento asincrono delle medesime.  Lo standard POSIX.1b
382 definisce anche una interfaccia apposita per l'I/O asincrono, che prevede un
383 insieme di funzioni dedicate, completamente separate rispetto a quelle usate
384 normalmente.
385
386 In generale questa interfaccia è completamente astratta e può essere
387 implementata sia direttamente nel kernel, che in user space attraverso l'uso
388 di thread. Al momento\footnote{fino ai kernel della serie 2.4.x, nella serie
389   2.5.x è però iniziato un lavoro completo di riscrittura di tutto il sistema
390   di I/O, che prevede anche l'introduzione di un nuovo layer per l'I/O
391   asincrono.} esiste una sola versione stabile di questa interfaccia, quella
392 delle \acr{glibc}, che è realizzata completamente in user space.  Esistono
393 comunque vari progetti sperimentali (come il KAIO della SGI, o i patch di
394 Benjamin La Haise) che prevedono un supporto diretto da parte del kernel.
395
396 Lo standard prevede che tutte le operazioni di I/O asincrono siano controllate
397 attraverso l'uso di una apposita struttura \type{aiocb} (il cui nome sta per
398 \textit{asyncronous I/O control block}), che viene passata come argomento a
399 tutte le funzioni dell'interfaccia. La sua definizione, come effettuata in
400 \file{aio.h}, è riportata in \figref{fig:file_aiocb}. Nello steso file è
401 definita la macro \macro{\_POSIX\_ASYNCHRONOUS\_IO}, che dichiara la
402 disponibilità dell'interfaccia per l'I/O asincrono.
403
404 \begin{figure}[!htb]
405   \footnotesize \centering
406   \begin{minipage}[c]{15cm}
407     \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
408 struct aiocb
409 {
410     int aio_fildes;               /* File descriptor.  */
411     off_t aio_offset;             /* File offset */
412     int aio_lio_opcode;           /* Operation to be performed.  */
413     int aio_reqprio;              /* Request priority offset.  */
414     volatile void *aio_buf;       /* Location of buffer.  */
415     size_t aio_nbytes;            /* Length of transfer.  */
416     struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.  */
417 };
418     \end{lstlisting}
419   \end{minipage} 
420   \normalsize 
421   \caption{La struttura \type{aiocb}, usata per il controllo dell'I/O
422     asincrono.}
423   \label{fig:file_aiocb}
424 \end{figure}
425
426 Le operazioni di I/O asincrono possono essere effettuate solo su un file già
427 aperto; il file deve inoltre supportare la funzione \func{lseek},
428 pertanto terminali e pipe sono esclusi. Non c'è limite al numero di operazioni
429 contemporanee effettuabili su un singolo file.
430
431 Ogni operazione deve inizializzare opportunamente un \textit{control block}.
432 Il file descriptor su cui operare deve essere specificato tramite il campo
433 \var{aio\_fildes}; dato che più operazioni possono essere eseguita in maniera
434 asincrona, il concetto di posizione corrente sul file viene a mancare;
435 pertanto si deve sempre specificare nel campo \var{aio\_offset} la posizione
436 sul file da cui i dati saranno letti o scritti.  Nel campo \var{aio\_buf} deve
437 essere specificato l'indirizzo del buffer usato per l'I/O, ed in
438 \var{aio\_nbytes} la lunghezza del blocco di dati da trasferire.
439
440 Il campo \var{aio\_reqprio} permette di impostare la priorità delle operazioni
441 di I/O.\footnote{in generale perché ciò sia possibile occorre che la
442   piattaforma supporti questa caratteristica, questo viene indicato definendo
443   le macro \macro{\_POSIX\_PRIORITIZED\_IO}, e
444   \macro{\_POSIX\_PRIORITY\_SCHEDULING}.} La priorità viene impostata a
445 partire da quella del processo chiamante (vedi \secref{sec:proc_priority}),
446 cui viene sottratto il valore di questo campo.
447
448 Il campo \var{aio\_lio\_opcode} è usato soltanto dalla funzione
449 \func{lio\_listio}, che, come vedremo più avanti, permette di eseguire con una
450 sola chiamata una serie di operazioni, usando un vettore di \textit{control
451   block}. Tramite questo campo si specifica quale è la natura di ciascuna di
452 esse.
453
454 \begin{figure}[!htb]
455   \footnotesize \centering
456   \begin{minipage}[c]{15cm}
457     \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
458 struct sigevent
459 {
460     sigval_t sigev_value;
461     int sigev_signo;
462     int sigev_notify;
463     sigev_notify_function;
464     sigev_notify_attributes;
465 };
466     \end{lstlisting}
467   \end{minipage} 
468   \normalsize 
469   \caption{La struttura \type{sigevent}, usata per specificare le modalità di
470     notifica degli eventi relativi alle operazioni di I/O asincrono.}
471   \label{fig:file_sigevent}
472 \end{figure}
473
474 Infine il campo \var{aio\_sigevent} è una struttura di tipo \type{sigevent}
475 che serve a specificare il modo in cui si vuole che venga effettuata la
476 notifica del completamento delle operazioni richieste. La struttura è
477 riportata in \secref{fig:file_sigevent}; il campo \var{sigev\_notify} è quello
478 che indica le modalità della notifica, esso può assumere i tre valori:
479 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}}
480 \item[\macro{SIGEV\_NONE}]   Non viene inviata nessuna notifica.
481 \item[\macro{SIGEV\_SIGNAL}] La notifica viene effettuata inviando al processo
482   chiamante il segnale specificato nel campo \var{sigev\_signo}, se il
483   manipolatore è installato con \macro{SA\_SIGINFO}, il gli verrà restituito
484   il valore di \var{sigev\_value} in come valore del campo \var{si\_value} per
485   \type{siginfo\_t}.
486 \item[\macro{SIGEV\_THREAD}] La notifica viene effettuata creando un nuovo
487   thread che esegue la funzione specificata da \var{sigev\_notify\_function},
488   con gli attributi specificati da \var{sigev\_notify\_attribute}.
489 \end{basedescript}
490
491 Le due funzioni base dell'interfaccia per l'I/O asincrono sono
492 \func{aio\_read} ed \func{aio\_write}.  Esse permettono di richiedere una
493 lettura od una scrittura asincrona di dati, usando la struttura \type{aiocb}
494 appena descritta; i rispettivi prototipi sono:
495 \begin{functions}
496   \headdecl{aio.h}
497
498   \funcdecl{int aio\_read(struct aiocb *aiocbp)}
499   Richiede una lettura asincrona secondo quanto specificato con \param{aiocbp}.
500
501   \funcdecl{int aio\_write(struct aiocb *aiocbp)}
502   Richiede una scrittura asincrona secondo quanto specificato con
503   \param{aiocbp}.
504   
505   \bodydesc{Le funzioni restituiscono 0 in caso di successo, e -1 in caso di
506     errore, nel qual caso \var{errno} viene impostata ai valori:
507   \begin{errlist}
508   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato.
509   \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
510   \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato un valore non valido per i campi
511     \var{aio\_offset} o \var{aio\_reqprio} di \param{aiocbp}.
512   \item[\macro{EAGAIN}] La coda delle richieste è momentaneamente piena.
513   \end{errlist}
514 }
515 \end{functions}
516
517 Entrambe le funzioni ritornano immediatamente dopo aver messo in coda la
518 richiesta, o in caso di errore. Non è detto che gli errori \macro{EBADF} ed
519 \macro{EINVAL} siano rilevati immediatamente al momento della chiamata,
520 potrebbero anche emergere nelle fasi successive delle operazioni. Lettura e
521 scrittura avvengono alla posizione indicata da \var{aio\_offset}, a meno che
522 il file non sia stato aperto in \textit{append mode} (vedi
523 \secref{sec:file_open}), nel qual caso le scritture vengono effettuate
524 comunque alla fine de file, nell'ordine delle chiamate a \func{aio\_write}.
525
526 Si tenga inoltre presente che deallocare la memoria indirizzata da
527 \param{aiocbp} o modificarne i valori prima della conclusione di una
528 operazione può dar luogo a risultati impredicibili, perché l'accesso ai vari
529 campi per eseguire l'operazione può avvenire in un momento qualsiasi dopo la
530 richiesta.  Questo comporta che occorre evitare di usare per \param{aiocbp}
531 variabili automatiche e che non si deve riutilizzare la stessa struttura per
532 un ulteriore operazione fintanto che la precedente non sia stata ultimata. In
533 generale per ogni operazione di I/O asincrono si deve utilizzare una diversa
534 struttura \type{aiocb}.
535
536 Dato che si opera in modalità asincrona, il successo di \func{aio\_read} o
537 \func{aio\_write} non implica che le operazioni siano state effettivamente
538 eseguite in maniera corretta; per verificarne l'esito l'interfaccia prevede
539 altre due funzioni, che permettono di controllare lo stato di esecuzione. La
540 prima è \func{aio\_error}, che serve a determinare un eventuale stato di
541 errore; il suo prototipo è:
542 \begin{prototype}{aio.h}
543   {int aio\_error(const struct aiocb *aiocbp)}  
544
545   Determina lo stato di errore delle operazioni di I/O associate a
546   \param{aiocbp}.
547   
548   \bodydesc{La funzione restituisce 0 se le operazioni si sono concluse con
549     successo, altrimenti restituisce il codice di errore relativo al loro
550     fallimento.}
551 \end{prototype}
552
553 Se l'operazione non si è ancora completata viene restituito l'errore di
554 \macro{EINPROGRESS}. La funzione ritorna zero quando l'operazione si è
555 conclusa con successo, altrimenti restituisce il codice dell'errore
556 verificatosi, ed esegue la corrispondente impostazione di \var{errno}. Il
557 codice può essere sia \macro{EINVAL} ed \macro{EBADF}, dovuti ad un valore
558 errato per \param{aiocbp}, che uno degli errori possibili durante l'esecuzione
559 dell'operazione di I/O richiesta, nel qual caso saranno restituiti, a seconda
560 del caso, i codici di errore delle system call \func{read}, \func{write} e
561 \func{fsync}.
562
563 Una volta che si sia certi che le operazioni siano state concluse (cioè dopo
564 che una chiamata ad \func{aio\_error} non ha restituito \macro{EINPROGRESS},
565 si potrà usare la seconda funzione dell'interfaccia, \func{aio\_return}, che
566 permette di verificare il completamento delle operazioni di I/O asincrono; il
567 suo prototipo è:
568 \begin{prototype}{aio.h}
569 {ssize\_t aio\_return(const struct aiocb *aiocbp)} 
570
571 Recupera il valore dello stato di ritorno delle operazioni di I/O associate a
572 \param{aiocbp}.
573   
574 \bodydesc{La funzione restituisce lo stato di uscita dell'operazione
575   eseguita.}
576 \end{prototype}
577
578 La funzione deve essere chiamata una sola volte per ciascuna operazione
579 asincrona, essa infatti fa sì che il sistema rilasci le risorse ad essa
580 associate. É per questo motivo che occorre chiamare la funzione solo dopo che
581 l'operazione cui \param{aiocbp} fa riferimento si è completata. Una chiamata
582 precedente il completamento delle operazioni darebbe risultati indeterminati.
583
584 La funzione restituisce il valore di ritorno relativo all'operazione eseguita,
585 così come ricavato dalla sottostante system call (il numero di byte letti,
586 scritti o il valore di ritorno di \func{fsync}).  É importante chiamare sempre
587 questa funzione, altrimenti le risorse disponibili per le operazioni di I/O
588 asincrono non verrebbero liberate, rischiando di arrivare ad un loro
589 esaurimento.
590
591 Oltre alle operazioni di lettura e scrittura l'interfaccia POSIX.1b mette a
592 disposizione un'altra operazione, quella di sincronizzazione dell'I/O, essa è
593 compiuta dalla funzione \func{aio\_fsync}, che ha lo stesso effetto della
594 analoga \func{fsync}, ma viene eseguita in maniera asincrona; il suo prototipo
595 è:
596 \begin{prototype}{aio.h}
597 {ssize\_t aio\_return(int op, struct aiocb *aiocbp)} 
598
599 Richiede la sincronizzazione dei dati per il file indicato da \param{aiocbp}.
600   
601 \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
602   errore, che può essere, con le stesse modalità di \func{aio\_read},
603   \macro{EAGAIN}, \macro{EBADF} o \macro{EINVAL}.}
604 \end{prototype}
605
606 La funzione richiede la sincronizzazione delle operazioni di I/O, ritornando
607 immediatamente. L'esecuzione effettiva della sincronizzazione dovrà essere
608 verificata con \func{aio\_error} e \func{aio\_return} come per le operazioni
609 di lettura e scrittura. L'argomento \param{op} permette di indicare la
610 modalità di esecuzione, se si specifica il valore \macro{O\_DSYNC} le
611 operazioni saranno completate con una chiamata a \func{fdatasync}, se si
612 specifica \macro{O\_SYNC} con una chiamata a \func{fsync} (per i dettagli vedi
613 \secref{sec:file_sync}).
614
615 Il successo della chiamata assicura la sincronizzazione delle operazioni fino
616 allora richieste, niente è garantito riguardo la sincronizzazione dei dati
617 relativi ad eventuali operazioni richieste successivamente. Se si è
618 specificato un meccanismo di notifica questo sarà innescato una volta che le
619 operazioni di sincronizzazione dei dati saranno completate.
620
621 In alcuni casi può essere necessario interrompere le operazioni (in genere
622 quando viene richiesta un'uscita immediata dal programma), per questo lo
623 standard POSIX.1b prevede una funzioni apposita, \func{aio\_cancel}, che
624 permette di cancellare una operazione richiesta in precedenza; il suo
625 prototipo è:
626 \begin{prototype}{aio.h}
627 {int aio\_cancel(int fildes, struct aiocb *aiocbp)} 
628
629 Richiede la cancellazione delle operazioni sul file \param{fildes} specificate
630 da \param{aiocbp}.
631   
632 \bodydesc{La funzione restituisce il risultato dell'operazione con un codice
633   di positivo, e -1 in caso di errore, che avviene qualora si sia specificato
634   un valore non valido di \param{fildes}, imposta \var{errno} al valore
635   \macro{EBADF}.}
636 \end{prototype}
637
638 La funzione permette di cancellare una operazione specifica sul file
639 \param{fildes}, o tutte le operazioni pendenti, specificando \macro{NULL} come
640 valore di \param{aiocbp}.  Quando una operazione viene cancellata una
641 successiva chiamata ad \func{aio\_error} riporterà \macro{ECANCELED} come
642 codice di errore, ed il suo codice di ritorno sarà -1, inoltre il meccanismo
643 di notifica non verrà invocato. Se si specifica una operazione relativa ad un
644 altro file descriptor il risultato è indeterminato.
645
646 In caso di successo, i possibili valori di ritorno per \func{aio\_cancel} sono
647 tre (anch'essi definiti in \file{aio.h}):
648 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}}
649 \item[\macro{AIO\_ALLDONE}] indica che le operazioni di cui si è richiesta la
650   cancellazione sono state già completate,
651   
652 \item[\macro{AIO\_CANCELED}] indica che tutte le operazioni richieste sono
653   state cancellate,  
654   
655 \item[\macro{AIO\_NOTCANCELED}] indica che alcune delle operazioni erano in
656   corso e non sono state cancellate.
657 \end{basedescript}
658
659 Nel caso si abbia \macro{AIO\_NOTCANCELED} occorrerà chiamare
660 \func{aio\_error} per determinare quali sono le operazioni effettivamente
661 cancellate. Le operazioni che non sono state cancellate proseguiranno il loro
662 corso normale, compreso quanto richiesto riguardo al meccanismo di notifica
663 del loro avvenuto completamento.
664
665 Benché l'I/O asincrono preveda un meccanismo di notifica, l'interfaccia
666 fornisce anche una apposita funzione, \func{aio\_suspend}, che permette di
667 sospendere l'esecuzione del processo chiamante fino al completamento di una
668 specifica operazione; il suo prototipo è:
669 \begin{prototype}{aio.h}
670 {int aio\_suspend(const struct aiocb * const list[], int nent, const struct
671     timespec *timeout)}
672   
673   Attende, per un massimo di \param{timeout}, il completamento di una delle
674   operazioni specificate da \param{list}.
675   
676   \bodydesc{La funzione restituisce 0 se una (o più) operazioni sono state
677     completate, e -1 in caso di errore nel qual caso \var{errno} viene
678     impostata ai valori:
679     \begin{errlist}
680     \item[\macro{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro
681       \param{timeout}.
682     \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
683     \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
684     \end{errlist}
685   }
686 \end{prototype}
687
688 La funzione permette di bloccare il processo fintanto che almeno una delle
689 \param{nent} operazioni specificate nella lista \param{list} è completata, per
690 un tempo massimo specificato da \param{timout}, o fintanto che non arrivi un
691 segnale.\footnote{si tenga conto che questo segnale può anche essere quello
692   utilizzato come meccanismo di notifica.} La lista deve essere inizializzata
693 con delle strutture \var{aiocb} relative ad operazioni effettivamente
694 richieste, ma può contenere puntatori nulli, che saranno ignorati. In caso si
695 siano specificati valori non validi l'effetto è indefinito.  Un valore
696 \macro{NULL} per \param{timout} comporta l'assenza di timeout.
697
698 Lo standard POSIX.1b infine ha previsto pure una funzione, \func{lio\_listio},
699 che permette di effettuare la richiesta di una intera lista di operazioni di
700 lettura o scrittura; il suo prototipo è:
701 \begin{prototype}{aio.h}
702   {int lio\_listio(int mode, struct aiocb * const list[], int nent, struct
703     sigevent *sig)}
704   
705   Richiede l'esecuzione delle operazioni di I/O elencata da \param{list},
706   secondo la modalità \param{mode}.
707   
708   \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di
709     errore, nel qual caso \var{errno} viene impostata ai valori:
710     \begin{errlist}
711     \item[\macro{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro
712       \param{timeout}.
713     \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
714     \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
715     \end{errlist}
716   }
717 \end{prototype}
718
719 La funzione esegue la richiesta delle \param{nent} operazioni indicate dalla
720 lista \param{list}; questa deve contenere gli indirizzi di altrettanti
721 \textit{control block}, opportunamente inizializzati; in particolare nel caso
722 dovrà essere specificato il tipo di operazione tramite il campo
723 \var{aio\_lio\_opcode}, che può prendere i tre valori:
724 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
725 \item[\macro{LIO\_READ}]  si richiede una operazione di lettura.
726 \item[\macro{LIO\_WRITE}] si richiede una operazione di scrittura.
727 \item[\macro{LIO\_NOP}] non si effettua nessuna operazione.
728 \end{basedescript}
729 l'ultimo valore viene usato quando si ha a che fare con un vettore di
730 dimensione fissa, per poter specificare solo alcune operazioni, o quando si è
731 dovuto cancellare delle operazioni e si deve ripetere la richiesta per quelle
732 non completate.
733
734 L'argomento \param{mode} permette di stabilire il comportamento della
735 funzione, se viene specificato il valore \macro{LIO\_WAIT} la funzione si
736 blocca fino al completamento di tutte le operazioni richieste; se invece si
737 specifica \macro{LIO\_NOWAIT} la funzione ritorna immediatamente dopo aver
738 messo in coda tutte le richieste. In questo caso il chiamante può richiedere
739 la notifica del completamento di tutte le richieste, impostando l'argomento
740 \param{sig} in maniera analoga a come si fa per il campo \var{aio\_sigevent}
741 di \type{aiocb}.
742
743
744
745 \subsection{I/O vettorizzato}
746 \label{sec:file_multiple_io}
747
748 Un caso abbastanza comune è quello in cui ci si trova a dover eseguire una
749 serie multipla di operazioni di I/O, come una serie di letture o scritture di
750 vari buffer. Un esempio tipico è quando i dati sono strutturati nei campi di
751 una struttura ed essi devono essere caricati o salvati su un file.  Benché
752 l'operazione sia facilmente eseguibile attraverso una serie multipla di
753 chiamate, ci sono casi in cui si vuole poter contare sulla atomicità delle
754 operazioni.
755
756 Per questo motivo BSD 4.2\footnote{Le due funzioni sono riprese da BSD4.4 ed
757   integrate anche dallo standard Unix 98; fino alle libc5 Linux usava
758   \type{size\_t} come tipo dell'argomento \param{count}, una scelta logica,
759   che però è stata dismessa per restare aderenti allo standard.} ha introdotto
760 due nuove system call, \func{readv} e \func{writev}, che permettono di
761 effettuare con una sola chiamata una lettura o una scrittura su una serie di
762 buffer (quello che viene chiamato \textsl{I/O vettorizzato}. I relativi
763 prototipi sono:
764 \begin{functions}
765   \headdecl{sys/uio.h}
766   
767   \funcdecl{int readv(int fd, const struct iovec *vector, int count)} Esegue
768   una lettura vettorizzata da \param{fd} nei \param{count} buffer specificati
769   da \param{vector}.
770   
771   \funcdecl{int writev(int fd, const struct iovec *vector, int count)} Esegue
772   una scrittura vettorizzata da \param{fd} nei \param{count} buffer
773   specificati da \param{vector}.
774   
775   \bodydesc{Le funzioni restituiscono il numero di byte letti o scritti in
776     caso di successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene
777     impostata ai valori:
778   \begin{errlist}
779   \item[\macro{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato.
780   \item[\macro{EINVAL}] si è specificato un valore non valido per uno degli
781     argomenti (ad esempio \param{count} è maggiore di \macro{MAX\_IOVEC}).
782   \item[\macro{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
783     di avere eseguito una qualunque lettura o scrittura.
784   \item[\macro{EAGAIN}] \param{fd} è stato aperto in modalità non bloccante e
785   non ci sono dati in lettura.
786   \item[\macro{EOPNOTSUPP}] La coda delle richieste è momentaneamente piena.
787   \end{errlist}
788   ed inoltre \macro{EISDIR}, \macro{ENOMEM}, \macro{EFAULT} (se non sono stato
789   allocati correttamente i buffer specificati nei campi \func{iov\_base}), più
790   tutti gli ulteriori errori che potrebbero avere le usuali funzioni di
791   lettura e scrittura eseguite su \param{fd}.}
792 \end{functions}
793
794 Entrambe le funzioni usano una struttura \type{iovec}, definita in
795 \figref{fig:file_iovec}, che definisce dove i dati devono essere letti o
796 scritti. Il primo campo, \var{iov\_base}, contiene l'indirizzo del buffer ed
797 il secondo, \var{iov\_len}, la dimensione dello stesso. 
798
799 \begin{figure}[!htb]
800   \footnotesize \centering
801   \begin{minipage}[c]{15cm}
802     \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
803 struct iovec {
804     __ptr_t iov_base;    /* Starting address */
805     size_t iov_len;      /* Length in bytes  */
806 };
807     \end{lstlisting}
808   \end{minipage} 
809   \normalsize 
810   \caption{La struttura \type{iovec}, usata dalle operazioni di I/O
811     vettorizzato.} 
812   \label{fig:file_iovec}
813 \end{figure}
814
815 I buffer da utilizzare sono indicati attraverso l'argomento \param{vector} che
816 è un vettore di strutture \var{iovec}, la cui lunghezza è specificata da
817 \param{count}.  Ciascuna struttura dovrà essere inizializzata per
818 opportunamente per indicare i vari buffer da/verso i quali verrà eseguito il
819 trasferimento dei dati. Essi verranno letti (o scritti) nell'ordine in cui li
820 si sono specificati nel vattore \var{vector}.
821
822
823 \subsection{File mappati in memoria}
824 \label{sec:file_memory_map}
825
826 Una modalità alternativa di I/O, che usa una interfaccia completamente diversa
827 rispetto a quella classica vista in \capref{cha:file_unix_interface}, è il
828 cosiddetto \textit{memory-mapped I/O}, che, attraverso il meccanismo della
829 \textsl{paginazione}\index{paginazione} usato dalla memoria virtuale (vedi
830 \secref{sec:proc_mem_gen}), permette di \textsl{mappare} il contenuto di un
831 file in una sezione dello spazio di indirizzi del processo. Il meccanismo è
832 illustrato in \figref{fig:file_mmap_layout}, una sezione del file viene
833 riportata direttamente nello spazio degli indirizzi del programma. Tutte le
834 operazioni su questa zona verranno riportate indietro sul file dal meccanismo
835 della memoria virtuale che trasferirà il contenuto di quel segmento sul file
836 invece che nella swap, per cui si può parlare tanto di file mappato in
837 memoria, quanto di memoria mappata su file.
838
839 \begin{figure}[htb]
840   \centering
841   \includegraphics[width=9.5cm]{img/mmap_layout}
842   \caption{Disposizione della memoria di un processo quando si esegue la
843   mappatuara in memoria di un file.}
844   \label{fig:file_mmap_layout}
845 \end{figure}
846
847 Tutto questo comporta una notevole semplificazione delle operazioni di I/O, in
848 quanto non sarà più necessario utilizzare dei buffer intermedi su cui
849 appoggiare i dati da traferire, ma questi potranno essere acceduti
850 direttamente nella sezione di memoria mappata; inoltre questa interfaccia è
851 più efficiente delle usuali funzioni di I/O, in quanto permette di caricare in
852 memoria solo le parti del file che sono effettivamente usate ad un dato
853 istante.
854
855 Infatti, dato che l'accesso è fatto direttamente attraverso la memoria
856 virtuale, la sezione di memoria mappata su cui si opera sarà a sua volta letta
857 o scritta sul file una pagina alla volta e solo per le parti effettivamente
858 usate, il tutto in maniera completamente trasparente al processo; l'accesso
859 alle pagine non ancora caricate avverrà allo stesso modo con cui vengono
860 caricate in memoria le pagine che sono state salvate sullo swap.
861
862 Infine in situazioni in cui la memoria è scarsa, le pagine che mappano un
863 file vengono salvate automaticamente, così come le pagine dei programmi
864 vengono scritte sulla swap; questo consente di accedere ai file su dimensioni
865 il cui solo limite è quello dello spazio di indirizzi disponibile, e non della
866 memoria su cui possono esserne lette delle porzioni.
867
868 L'interfaccia prevede varie funzioni per la gestione del \textit{memory mapped
869   I/O}, la prima di queste è \func{mmap}, che serve ad eseguire la mappatura
870 in memoria di un file; il suo prototipo è:
871 \begin{functions}
872   
873   \headdecl{unistd.h}
874   \headdecl{sys/mman.h} 
875
876   \funcdecl{void * mmap(void * start, size\_t length, int prot, int flags, int
877     fd, off\_t offset)}
878   
879   Esegue la mappatura in memoria del file \param{fd}.
880   
881   \bodydesc{La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria mappata
882     in caso di successo, e \macro{MAP\_FAILED} (-1) in caso di errore, nel
883     qual caso \var{errno} viene impostata ai valori:
884     \begin{errlist}
885     \item[\macro{EBADF}] Il file descriptor non è valido, e non si è usato
886       \macro{MAP\_ANONYMOUS}.
887     \item[\macro{EACCES}] Il file descriptor non si riferisce ad un file
888       regolare, o si è richiesto \macro{MAP\_PRIVATE} ma \param{fd} non è
889       aperto in lettura, o si è richiesto \macro{MAP\_SHARED} e impostato
890       \macro{PROT\_WRITE} ed \param{fd} non è aperto in lettura/scrittura, o
891       si è impostato \macro{PROT\_WRITE} ed \param{fd} è in
892       \textit{append-only}.
893     \item[\macro{EINVAL}] I valori di \param{start}, \param{length} o
894       \param{offset} non sono validi (o troppo grandi o non allineati sulla
895       dimensione delle pagine).
896     \item[\macro{ETXTBSY}] Si è impostato \macro{MAP\_DENYWRITE} ma \param{fd}
897       è aperto in scrittura.
898     \item[\macro{EAGAIN}] Il file è bloccato, o si è bloccata troppa memoria.
899     \item[\macro{ENOMEM}] Non c'è memoria o si è superato il limite sul numero
900       di mappature possibili.
901     \item[\macro{ENODEV}] Il filesystem di \param{fd} non supporta il memory
902       mapping.
903     \end{errlist}
904   }
905 \end{functions}
906
907 La funzione richiede di mappare in memoria la sezione del file \param{fd} a
908 partire da \param{offset} per \param{lenght} byte, preferibilmente
909 all'indirizzo \param{start}. Il valore di \param{offset} deve essere un
910 multiplo della dimensione di una pagina di memoria. 
911
912
913 \begin{table}[htb]
914   \centering
915   \footnotesize
916   \begin{tabular}[c]{|l|l|}
917     \hline
918     \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
919     \hline
920     \hline
921     \macro{PROT\_EXEC}  & Le pagine possono essere eseguite.\\
922     \macro{PROT\_READ}  & Le pagine possono essere lette.\\
923     \macro{PROT\_WRITE} & Le pagine possono essere scritte.\\
924     \macro{PROT\_NONE}  & L'accesso alle pagine è vietato.\\
925     \hline    
926   \end{tabular}
927   \caption{Valori dell'argomento \param{prot} di \func{mmap}, relativi alla
928     protezione applicate alle pagine del file mappate in memoria.}
929   \label{tab:file_mmap_prot}
930 \end{table}
931
932
933 Il valore dell'argomento \param{prot} indica la protezione\footnote{in Linux
934   la memoria reale è divisa in pagine: ogni processo vede la sua memoria
935   attraverso uno o più segmenti lineari di memoria virtuale.  Per ciascuno di
936   questi segmenti il kernel mantiene nella \textit{page table} la mappatura
937   sulle pagine di memoria reale, ed le modalità di accesso (lettura,
938   esecuzione, scrittura); una loro violazione causa quella che si chiama una
939   \textit{segment violation}, e la relativa emissione del segnale
940   \macro{SIGSEGV}.} da applicare al segmento di memoria e deve essere
941 specificato come maschera binaria ottenuta dall'OR di uno o più dei valori
942 riportati in \tabref{tab:file_mmap_flag}; il valore specificato deve essere
943 compatibile con la modalità di accesso con cui si è aperto il file.
944
945 L'argomento \param{flags} specifica infine qual'è il tipo di oggetto mappato,
946 le opzioni relative alle modalità con cui è effettuata la mappatura e alle
947 modalità con cui le modifiche alla memoria mappata vengono condivise o
948 mantenute private al processo che le ha effettuate. Deve essere specificato
949 come maschera binaria ottenuta dall'OR di uno o più dei valori riportati in
950 \tabref{tab:file_mmap_flag}.
951
952 \begin{table}[htb]
953   \centering
954   \footnotesize
955   \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|}
956     \hline
957     \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
958     \hline
959     \hline
960     \macro{MAP\_FIXED}     & Non permette di restituire un indirizzo diverso
961                              da \param{start}, se questo non può essere usato
962                              \func{mmap} fallisce. Se si imposta questo flag il
963                              valore di \param{start} deve essere allineato
964                              alle dimensioni di una pagina. \\
965     \macro{MAP\_SHARED}    & I cambiamenti sulla memoria mappata vengono
966                              riportati sul file e saranno immediatamente
967                              visibili agli altri processi che mappano lo stesso
968                              file.\footnotemark Il file su disco però non sarà
969                              aggiornato fino alla chiamata di \func{msync} o
970                              \func{unmap}), e solo allora le modifiche saranno
971                              visibili per l'I/O convenzionale. Incompatibile
972                              con \macro{MAP\_PRIVATE}. \\ 
973     \macro{MAP\_PRIVATE}   & I cambiamenti sulla memoria mappata non vengono
974                              riportati sul file. Ne viene fatta una copia
975                              privata cui solo il processo chiamante ha
976                              accesso.  Le modifiche sono mantenute attraverso
977                              il meccanismo del \textit{copy on write} e
978                              salvate su swap in caso di necessità. Non è
979                              specificato se i cambiamenti sul file originale
980                              vengano riportati sulla regione
981                              mappata. Incompatibile con \macro{MAP\_SHARED}. \\
982     \macro{MAP\_DENYWRITE} & In Linux viene ignorato per evitare
983                              \textit{DoS}\index{DoS} (veniva usato per
984                              segnalare che tentativi di scrittura sul file
985                              dovevano fallire con \macro{ETXTBUSY}).\\
986     \macro{MAP\_EXECUTABLE}& Ignorato. \\
987     \macro{MAP\_NORESERVE} & Si usa con \macro{MAP\_PRIVATE}. Non riserva
988                              delle pagine di swap ad uso del meccanismo di
989                              \textit{copy on write} per mantenere le
990                              modifiche fatte alla regione mappata, in
991                              questo caso dopo una scrittura, se non c'è più
992                              memoria disponibile, si ha l'emissione di
993                              un \macro{SIGSEGV}. \\
994     \macro{MAP\_LOCKED}    & Se impostato impedisce lo swapping delle pagine
995                              mappate. \\
996     \macro{MAP\_GROWSDOWN} & Usato per gli stack. Indica 
997                              che la mappatura deve essere effettuata con gli
998                              indirizzi crecenti verso il basso.\\
999     \macro{MAP\_ANONYMOUS} & La mappatura non è associata a nessun file. Gli
1000                              argomenti \param{fd} e \param{offset} sono
1001                              ignorati.\footnotemark\\
1002     \macro{MAP\_ANON}      & Sinonimo di \macro{MAP\_ANONYMOUS}, deprecato.\\
1003     \macro{MAP\_FILE}      & Valore di compatibiità, deprecato.\\
1004     \hline
1005   \end{tabular}
1006   \caption{Valori possibili dell'argomento \param{flag} di \func{mmap}.}
1007   \label{tab:file_mmap_flag}
1008 \end{table}
1009
1010 \footnotetext{Dato che tutti faranno riferimento alle stesse pagine di
1011   memoria.}  
1012 \footnotetext{L'uso di questo flag con \macro{MAP\_SHARED} è
1013   stato implementato in Linux a partire dai kernel della serie 2.4.x.}
1014
1015 Gli effetti dell'accesso ad una zona di memoria mappata su file possono essere
1016 piuttosto complessi, essi si possono comprendere solo tenendo presente che
1017 tutto quanto è comunque basato sul basato sul meccanismo della memoria
1018 virtuale. Questo comporta allora una serie di conseguenze. La più ovvia è che
1019 se si cerca di scrivere su una zona mappata in sola lettura si avrà
1020 l'emissione di un segnale di violazione di accesso (\macro{SIGSEGV}), dato che
1021 i permessi sul segmento di memoria relativo non consentono questo tipo di
1022 accesso.
1023
1024 È invece assai diversa la questione relativa agli accessi al di fuori della
1025 regione di cui si è richiesta la mappatura. A prima vista infatti si potrebbe
1026 ritenere che anch'essi debbano generare un segnale di violazione di accesso;
1027 questo però non tiene conto del fatto che, essendo basata sul meccanismo della
1028 paginazione, la mappatura in memoria non può che essere eseguita su un
1029 segmento di dimensioni rigorosamente multiple di quelle di una pagina, ed in
1030 generale queste potranno non corrispondere alle dimensioni effettive del file
1031 o della sezione che si vuole mappare. Il caso più comune è quello illustrato
1032 in \figref{fig:file_mmap_boundary}, in cui la sezione di file non rientra nei
1033 confini di una pagina: in tal caso verrà il file sarà mappato su un segmento
1034 di memoria che si estende fino al bordo della pagina successiva.
1035
1036 \begin{figure}[htb]
1037   \centering
1038   \includegraphics[width=10cm]{img/mmap_boundary}
1039   \caption{Schema della mappatura in memoria di una sezione di file di
1040     dimensioni non corripondenti al bordo di una pagina.}
1041   \label{fig:file_mmap_boundary}
1042 \end{figure}
1043
1044
1045 In questo caso è possibile accedere a quella zona di memoria che eccede le
1046 dimensioni specificate da \param{lenght}, senza ottenere un \macro{SIGSEGV}
1047 poiché essa è presente nello spazio di indirizzi del processo, anche se non è
1048 mappata sul file. Il comportamento del sistema è quello di restituire un
1049 valore nullo per quanto viene letto, e di non riportare su file quanto viene
1050 scritto.
1051
1052 Un caso più complesso è quello che si viene a creare quando le dimensioni del
1053 file mappato sono più corte delle dimensioni della mappatura, oppure quando il
1054 file è stato troncato, dopo che è stato mappato, ad una dimensione inferiore a
1055 quella della mappatura in memoria.
1056
1057 \begin{figure}[htb]
1058   \centering
1059   \includegraphics[width=13cm]{img/mmap_exceed}
1060   \caption{Schema della mappatura in memoria di file di dimensioni inferiori
1061     alla lunghezza richiesta.}
1062   \label{fig:file_mmap_exceed}
1063 \end{figure}
1064
1065 In questa situazione, per la sezione di pagina parzialmente coperta dal
1066 contenuto del file, vale esattamente quanto visto in precedenza; invece per la
1067 parte che eccede, fino alle dimensioni date da \param{length}, l'accesso non
1068 sarà più possibile, ma il segnale emesso non sarà \macro{SIGSEGV}, ma
1069 \macro{SIGBUS}, come illustrato in \figref{fig:file_mmap_exceed}.
1070
1071 Non tutti i file possono venire mappati in memoria, dato che, come illustrato
1072 in \figref{fig:file_mmap_layout}, la mappatura introduce una corrispondenza
1073 biunivoca fra una sezione di un file ed una sezione di memoria. Questo
1074 comporta che ad esempio non è possibile mappare in memoria file descriptor
1075 relativi a pipe, socket e fifo, per i quali non ha senso parlare di
1076 \textsl{sezione}. Lo stesso vale anche per alcuni file di dispositivo, che non
1077 dispongono della relativa operazione \var{mmap} (si ricordi quanto esposto in
1078 \secref{sec:file_vfs_work}). Si tenga presente però che esistono anche casi di
1079 dispositivi (un esempio è l'interfaccia al ponte PCI-VME del chip Universe)
1080 che sono utilizzabili solo con questa interfaccia.
1081
1082 Dato che passando attraverso una \func{fork} lo spazio di indirizzi viene
1083 copiato integralmente, i file mappati in memoria verranno ereditati in maniera
1084 trasparente dal processo figlio, mantenendo gli stessi attributi avuti nel
1085 padre; così se si è usato \macro{MAP\_SHARED} padre e figlio accederanno allo
1086 stesso file in maniera condivisa, mentre se si è usato \macro{MAP\_PRIVATE}
1087 ciascuno di essi manterrà una sua versione privata indipendente. Non c'è
1088 invece nessun passaggio attraverso una \func{exec}, dato che quest'ultima
1089 sostituisce tutto lo spazio degli indirizzi di un processo con quello di un
1090 nuovo programma.
1091
1092 Quando si effettua la mappatura di un file vengono pure modificati i tempi ad
1093 esso associati (di cui si è trattato in \secref{sec:file_file_times}). Il
1094 valore di \var{st\_atime} può venir cambiato in qualunque istante a partire
1095 dal momento in cui la mappatura è stata effettuata: il primo riferimento ad
1096 una pagina mappata su un file aggiorna questo tempo.  I valori di
1097 \var{st\_ctime} e \var{st\_mtime} possono venir cambiati solo quando si è
1098 consentita la scrittura sul file (cioè per un file mappato con
1099 \macro{PROT\_WRITE} e \macro{MAP\_SHARED}) e sono aggiornati dopo la scrittura
1100 o in corrispondenza di una eventuale \func{msync}.
1101
1102 Dato per i file mappati in memoria le operazioni di I/O sono gestite
1103 direttamente dalla memoria virtuale, occorre essere consapevoli delle
1104 interazioni che possono esserci con operazioni effettuate con l'interfaccia
1105 standard dei file di \capref{cha:file_unix_interface}. Il problema è che una
1106 volta che si è mappato un file, le operazioni di lettura e scrittura saranno
1107 eseguite sulla memoria, e riportate su disco in maniera autonoma dal sistema
1108 della memoria virtuale.
1109
1110 Pertanto se si modifica un file con l'interfaccia standard queste modifiche
1111 potranno essere visibili o meno a seconda del momento in cui la memoria
1112 virtuale trasporterà dal disco in memoria quella sezione del file, perciò è
1113 del tutto imprevedibile il risultato della modifica di un file nei confronti
1114 del contenuto della memoria mappata su cui è mappato.
1115
1116 Per quanto appena visto, è sempre sconsigliabile eseguire scritture su file
1117 attraverso l'interfaccia standard, quando lo si è mappato in memoria, è invece
1118 possibile usare l'interfaccia standard per leggere un file mappato in memoria,
1119 purché si abbia una certa cura; infatti l'interfaccia dell'I/O mappato in
1120 memoria mette a disposizione la funzione \func{msync} per sincronizzare il
1121 contenuto della memoria mappata con il file su disco; il suo prototipo è:
1122 \begin{functions}  
1123   \headdecl{unistd.h}
1124   \headdecl{sys/mman.h} 
1125
1126   \funcdecl{int msync(const void *start, size\_t length, int flags)}
1127   
1128   Sincronizza i contenuti di una sezione di un file mappato in memoria.
1129   
1130   \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di
1131     errore nel qual caso \var{errno} viene impostata ai valori:
1132     \begin{errlist}
1133     \item[\macro{EINVAL}] O \param{start} non è multiplo di \macro{PAGESIZE},
1134     o si è specificato un valore non valido per \param{flags}.
1135     \item[\macro{EFAULT}] L'intervallo specificato non ricade in una zona
1136       precedentemente mappata.
1137     \end{errlist}
1138   }
1139 \end{functions}
1140
1141 La funzione esegue la sincronizzazione di quanto scritto nella sezione di
1142 memoria indicata da \param{start} e \param{offset}, scrivendo le modifiche sul
1143 file (qualora questo non sia già stato fatto).  Provvede anche ad aggiornare i
1144 relativi tempi di modifica. In questo modo si è sicuri che dopo l'esecuzione
1145 di \func{msync} le funzioni dell'interfaccia standard troveranno un contenuto
1146 del file aggiornato.
1147
1148 \begin{table}[htb]
1149   \centering
1150   \footnotesize
1151   \begin{tabular}[c]{|l|l|}
1152     \hline
1153     \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
1154     \hline
1155     \hline
1156     \macro{MS\_ASYNC}     & Richiede la sincronizzazione.\\
1157     \macro{MS\_SYNC}      & Attende che la sincronizzazione si eseguita.\\
1158     \macro{MS\_INVALIDATE}& Richiede che le altre mappature dello stesso file
1159                             siano invalidate.\\
1160     \hline    
1161   \end{tabular}
1162   \caption{Valori dell'argomento \param{flag} di \func{msync}.}
1163   \label{tab:file_mmap_rsync}
1164 \end{table}
1165
1166 L'argomento \param{flag} è specificato come maschera binaria composta da un OR
1167 dei valori riportati in \tabref{tab:file_mmap_rsync}, di questi però
1168 \macro{MS\_ASYNC} e \macro{MS\_SYNC} sono incompatibili; con il primo valore
1169 infatti la funzione si limita ad inoltrare la richiesta di sincronizzazione al
1170 meccanismo della memoria virtuale, ritornando subito, mentre con il secondo
1171 attende che la sincronizzazione sia stata effettivamente eseguita. Il terzo
1172 flag fa invalidare le pagine di cui si richiede la sincronizzazione per tutte
1173 le mappature dello stesso file, così che esse possano essere immediatamente
1174 aggiornate ai nuovi valori.
1175
1176 Una volta che si sono completate le operazioni di I/O si può eliminare la
1177 mappatura della memoria usando la funzione \func{munmap}, il suo prototipo è:
1178 \begin{functions}  
1179   \headdecl{unistd.h}
1180   \headdecl{sys/mman.h} 
1181
1182   \funcdecl{int munmap(void *start, size\_t length)}
1183   
1184   Rilascia la mappatura sulla sezione di memoria specificata.
1185
1186   \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di
1187     errore nel qual caso \var{errno} viene impostata ai valori:
1188     \begin{errlist}
1189     \item[\macro{EINVAL}] L'intervallo specificato non ricade in una zona
1190       precedentemente mappata.
1191     \end{errlist}
1192   }
1193 \end{functions}
1194
1195 La funzione cancella la mappatura per l'intervallo specificato attraverso
1196 \param{start} e \param{length}, ed ogni successivo accesso a tale regione
1197 causerà un errore di accesso in memoria. L'argomento \param{start} deve essere
1198 allineato alle dimensioni di una pagina di memoria, e la mappatura di tutte le
1199 pagine contenute (anche parzialmente) nell'intervallo indicato, verrà rimossa.
1200 Indicare un intervallo che non contiene pagine mappate non è un errore.
1201
1202 Alla conclusione del processo, ogni pagina mappata verrà automaticamente
1203 rilasciata, mentre la chiusura del file descriptor usato per effettuare la
1204 mappatura in memoria non ha alcun effetto sulla stessa.
1205
1206
1207 \section{Il file locking}
1208 \label{sec:file_locking}
1209
1210 In \secref{sec:file_sharing} abbiamo preso in esame le modalità in cui un
1211 sistema unix-like gestisce la condivisione dei file da parte di processi
1212 diversi. In quell'occasione si è visto come, con l'eccezione dei file aperti
1213 in \textit{append mode}, quando più processi scrivono contemporaneamente sullo
1214 stesso file non è possibile determinare la sequenza in cui essi opereranno.
1215
1216 Questo causa la possibilità di race condition\index{race condition}; in
1217 generale le situazioni più comuni sono due: l'interazione fra un processo che
1218 scrive e altri che leggono, in cui questi ultimi possono leggere informazioni
1219 scritte solo in maniera parziale o incompleta; o quella in cui diversi
1220 processi scrivono, mescolando in maniera imprevedibile il loro output sul
1221 file.
1222
1223 In tutti questi casi il \textit{file locking} è la tecnica che permette di
1224 evitare le race condition, attraverso una serie di funzioni che permettono di
1225 bloccare l'accesso al file da parte di altri processi, così da evitare le
1226 sovrapposizioni, e garantire la atomicità delle operazioni di scrittura.
1227
1228
1229 \subsection{L'\textit{advisory locking}}
1230 \label{sec:file_record_locking}
1231
1232 La prima modalità di file locking che è stata implementata nei sistemi
1233 unix-like è quella che viene usualmente chiamata \textit{advisory locking}, in
1234 quanto è il processo, e non il sistema, che si incarica di verificare se
1235 esiste una condizione di blocco per l'accesso ai file.
1236
1237
1238
1239
1240 \subsection{Il \textit{mandatory locking}}
1241 \label{sec:file_mand_locking}
1242
1243 Il \textit{mandatory locking} è una opzione introdotta inizialmente in SVr4,
1244 per introdurre un file locking che come dice il nome, fosse effettivo
1245 indipendentemente dai controlli eseguiti da un processo. Con il
1246 \textit{mandatory locking} infatti è possibile far eseguire il blocco del file
1247 direttamente al sistema, così che anche qualora non si predisponessero le
1248 opportune verifiche nei processi, questo verrebbe comunque rispettato.
1249
1250 Per poter utilizzare il \textit{mandatory locking} è stato introdotto un
1251 utilizzo particolare del bit \acr{suid}. Se si ricorda quanto esposto in
1252 \secref{sec:file_suid_sgid}), esso viene di norma utlizzato per cambiare
1253 l'\textit{effective user ID} con cui viene eseguito un programma, ed è
1254 pertanto sempre associato alla presenza del permesso di esecuzione. Impostando
1255 questo bit su un file senza permesso di esecuzione in un sistema che supporta
1256 il \textit{mandatory locking}, fa sì che quest'ultimo venga attivato per il
1257 file in questione. In questo modo una combinaizone dei permessi
1258 originariamente non contemplata, in quanto senza significato, diventa
1259 l'indicazione della presenza o meno del \textit{mandatory locking}.
1260
1261
1262
1263 %%% Local Variables: 
1264 %%% mode: latex
1265 %%% TeX-master: "gapil"
1266 %%% End: