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
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  11 \section{Le funzioni di I/O avanzato}
  12 \label{sec:file_advanced_io}
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  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.
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  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
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  32 Questo comportamento causa uno dei problemi più comuni che ci si trova ad
  33 affrontare nelle operazioni di I/O, che è quello che si verifica quando si
  34 devono eseguire operazioni che possono bloccarsi su più file descriptor:
  35 mentre si è bloccati su uno di questi file su di un'altro potrebbero essere
  36 presenti dei dati, così che nel migliore dei casi si avrebbe una lettura
  37 ritardata inutilmente, e nel peggiore si potrebbe addirittura arrivare ad un
  38 deadlock.
  39
  40 Abbiamo già accennato in \secref{sec:file_open} che però è possibile prevenire
  41 questo tipo di comportamento aprendo un file in modalità
  42 \textsl{non-bloccante}, attraverso l'uso del flag \macro{O\_NONBLOCK} nella
  43 chiamata di \func{open}. In questo caso le funzioni di input/output che
  44 altrimenti si sarebbero bloccate ritornano immediatamente, restituendo
  45 l'errore \macro{EAGAIN}.
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  47 L'utilizzo di questa modalità di I/O permette di risolvere il problema
  48 controllando a turno i vari file descriptor, in un ciclo in cui si ripete
  49 l'accesso fintanto che esso non viene garantito.  Ovviamente questa tecnica,
  50 detta \textit{polling}, è estremamente inefficiente: si tiene costantemente
  51 impiegata la CPU solo per eseguire in continuazione delle system call che
  52 nella gran parte dei casi falliranno. Per evitare questo, come vedremo in
  53 \secref{sec:file_multiplexing}, è stata introdotta una nuova interfaccia di
  54 programmazione, che comporta comunque l'uso della modalità di I/O non
  55 bloccante.
  56
  57 \subsection{Le funzioni \func{poll} e \func{select}}
  58 \label{sec:file_multiplexing}
  59
  60 Per superare il problema di dover usare il \textit{polling} controllare la
  61 disponibilità di accesso ad un file aperto in modalità non bloccante, sia BSD
  62 che SysV hanno introdotto delle nuove funzioni in grado di sospendere
  63 l'esecuzione di un processo fino a che l'accesso diventi possibile; il primo
  64 ad introdurre questa nuova interfaccia, chiamata usualmente \textit{I/O
  65   multiplexing}, è stato BSD, con l'introduzione della funzione \func{select},
  66 il cui prototipo è:
  67 \begin{prototype}{sys/select.h}
  68   {int select(int n, fd\_set *readfds, fd\_set *writefds, fd\_set *exceptfds,
  69     struct timeval *timeout)}
  70
  71 Attende che un certo insieme di file descriptor cambi stato.
  72
  73 \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor, anche nullo,
  74   che hanno cambiato stato in caso di successo e -1 in caso di errore, nel
  75   qual caso \var{errno} viene settata ai valori:
  76   \begin{errlist}
  77   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
  78   degeli insiemi.
  79   \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
  80   \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo.
  81   \end{errlist}
  82   ed inoltre \macro{ENOMEM}.
  83 }
  84 \end{prototype}
  85
  86 La funzione mette il processo in stato di \textit{sleep} (vedi
  87 \tabref{tab:proc_proc_states}) fintanto che non viene rilevate dell'attività
  88 sull'insieme dei file descriptor specificati (\param{readfds},
  89 \param{writefds} e \param{exceptfds}), per un tempo massimo specificato da
  90 \param{timeout}.
  91
  92 Per specificare quali file descriptor si intende selezionare, la funzione usa
  93 un particolare oggetto, il \textit{file descriptor set}, identificato dal tipo
  94 \type{fd\_set}, che serve ad identificare un insieme di file descriptor, in
  95 maniera analoga a come un \textit{signal set} (vedi \secref{sec:sig_sigset})
  96 identifica un insieme di segnali. Per la manipolazione di questi \textit{file
  97   descriptor set} si possono usare delle opportune macro di preprocessore:
  98 \begin{functions}
  99   \headdecl{sys/select.h}
 100   \funcdecl{FD\_ZERO(fd\_set *set)}
 101   Inizializza l'insieme (vuoto).
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 103   \funcdecl{FD\_SET(int fd, fd\_set *set)}
 104   Inserisce il file descriptor \param{fd} nell'insieme.
 105
 106   \funcdecl{FD\_CLR(int fd, fd\_set *set)}
 107   Rimuove il file descriptor \param{fd} nell'insieme.
 108
 109   \funcdecl{FD\_ISSET(int fd, fd\_set *set)}
 110   Controlla se il file descriptor \param{fd} è nell'insieme.
 111 \end{functions}
 112
 113 In genere un \textit{file descriptor set} può contenere fino ad un massimo di
 114 \macro{FD\_SETSIZE} file descriptor.  Questo a seconda del sistema può essere
 115 il limite del numero massimo di file aperti\footnote{ad esempio in Linux, fino
 116   alla serie 2.0.x, c'era un limite di 256 file per processo.}, ma quando,
 117 come nelle versioni più recenti del kernel, questo limite non c'è un massimo,
 118 esso indica le dimensioni in munero di bit utilizzabili per l'insieme.
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 120
 121 La funzione richiede di specificare tre insiemi distinti di file descriptor;
 122 il primo, \param{readfds}, verrà osservato per rilevare la disponibilità di
 123 input in lettura, il secondo, \param{writefds} per verificare la possibilità
 124 di scrivere ed il terzo, \param{exceptfds}, per verificare l'esistenza di
 125 eccezioni. I corrispondenti valori dei \textit{file descriptor set} saranno
 126 modificati di conseguenza per mostrare quale dei file descriptor ha cambiato
 127 stato.
 128
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 133 Come accennato l'interfaccia di \func{select} è una estensione aggiunta BSD, e
 134 poi entrata a far parte di POSIX; allo stesso tempo System V aveva introdotto
 135 una interfaccia alternativa, basata sulla funzione \func{poll}, il cui
 136 prototipo è:
 137 \begin{prototype}{sys/poll.h}
 138   {int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout)}
 139
 140 La funzione attente un cambiamento di stato per uno dei file descriptor
 141 specificati da \param{ufds}.
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 143 \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor con attività in
 144   caso di successo, o 0 se c'è stato un timeout; in caso di errore viene
 145   restituito  -1 ed \var{errno} viene settata ai valori:
 146
 147 .}
 148 \end{prototype}
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 153 \subsection{L'I/O asincrono}
 154 \label{sec:file_asyncronous_io}
 155
 156 Una modalità alternativa all'uso dell'I/O non bloccante è quella di fare
 157 ricorso all'I/O asincrono. Abbiamo accennato in \secref{sec:file_open} che è
 158 possibile, attraverso l'uso del flag \macro{O\_ASYNC}, aprire un file in
 159 modalità asincrona, così come è possibile settare questo flag attraverso l'uso
 160 di \func{fcntl}.
 161
 162 In tal caso il sistema genera un segnale \macro{SIGIO} tutte le volte che sono
 163 presenti dei dati in input su un file aperto in questa modalità.  Uno dei
 164 problemi che si presentavano con le prime implementazioni di questa modalità
 165 di I/O è che essa poteva essere usata in maniera semplice aprendo un solo file
 166 per processo, dato che altrimenti si sarebbe dovuto provvedere ad effettuare
 167 una serie di controlli su tutti i file aperti per distinguere a quale fosse
 168 dovuto l'emissione del segnale.
 169
 170 Tutto questo adesso può essere evitato facendo ricorso alle informazioni
 171 restituite al manipolatore del segnale attraverso la struttura
 172 \var{siginfo\_t} (vedi \figref{fig:sig_siginfo_t}), il cui campo \var{si\_fd}
 173 riporta il file descriptor che ha generato il segnale.
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 175
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 177 \subsection{File mappati in memoria}
 178 \label{sec:file_memory_map}
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 180
 181 \subsection{I/O multiplo}
 182 \label{sec:file_multiple_io}
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 186 \section{Il file locking}
 187 \label{sec:file_locking}
 188
 189 In \secref{sec:file_sharing} abbiamo preso in esame le mosalità in cui un
 190 sistema unix-like gestisce la condivisione dei file da parte di processi
 191 diversi. In quell'occasione si è visto come, con l'eccezione dei file aperti
 192 in \textit{append mode}, quando più processi scrivono contemporaneamente sullo
 193 stesso file non è possibile determinare la sequenza in cui essi opereranno.
 194
 195 Questo causa la possibilità di race condition\index{race condition}; in
 196 generale le situazioni più comuni sono due: l'interazione fra un processo che
 197 scrive e altri che leggono, in cui questi ultimi possono leggere informazioni
 198 scritte solo in maniera parziale o incompleta; o quella in cui diversi
 199 processi scrivono, mescolando in maniera imprevedebile il loro output sul
 200 file.
 201
 202 In tutti questi casi il \textit{file locking} è la tecnica che permette di
 203 evitare le race condition, attraverso una serie di funzioni che permettono di
 204 bloccare l'accesso al file da parte di altri processi, così da evitare le
 205 sovrapposizioni, e garantire la atomicità delle operazioni di scrittura.
 206
 207
 208 \subsection{L'\textit{advisory locking}}
 209 \label{sec:file_record_locking}
 210
 211 La prima modalità di file locking che è stata implementata nei sistemi
 212 unix-like è quella che viene usualmente chiamata \textit{advisory locking}, in
 213 quanto è il processo, e non il sistema, che si incarica di verificare se
 214 esiste una condizione di blocco per l'accesso ai file.
 215
 216
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 218
 219 \subsection{Il \textit{mandatory locking}}
 220 \label{sec:file_mand_locking}
 221
 222 Il \textit{mandatory locking} è una opzione introdotta inizialmente in SVr4,
 223
 224
 225
 226
 227
 228
 229 %%% Local Variables:
 230 %%% mode: latex
 231 %%% TeX-master: "gapil"
 232 %%% End: