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\chapter{La gestione dell'I/O su file}
\label{cha:file_IO_interface}

Esamineremo in questo capitolo le due interfacce di programmazione che
consentono di gestire i dati mantenuti nei file. Cominceremo con quella nativa
del sistema, detta dei \textit{file descriptor}, che viene fornita
direttamente dalle \textit{system call} e che non prevede funzionalità evolute
come la bufferizzazione o funzioni di lettura o scrittura
formattata. Esamineremo poi anche l'interfaccia definita dallo standard ANSI
C, che viene chiamata dei \textit{file stream} o anche più brevemente degli
\textit{stream}. Per entrambe dopo una introduzione alle caratteristiche
generali tratteremo le funzioni base per la gestione dell'I/O, lasciando per
ultime le caratteristiche più avanzate.


\section{L'interfaccia dei \textit{file descriptor}}
\label{sec:file_unix_interface}


Come visto in sez.~\ref{sec:file_vfs_work} il kernel mette a disposizione
tramite il \textit{Virtual File System} una serie di \textit{system call} che
consentono di operare sui file in maniera generale. Abbiamo trattato quelle
relative alla gestione delle proprietà dei file nel precedente capitolo,
vedremo quelle che si applicano al contenuto dei file in questa sezione,
iniziando con una breve introduzione sull'architettura dei \textit{file
  descriptor} per poi trattare le funzioni di base e le modalità con cui
consentono di gestire i dati memorizzati sui file.


\subsection{I \textit{file descriptor}}
\label{sec:file_fd}

\itindbeg{file~descriptor} 

L'accesso al contenuto dei file viene effettuato, sia pure con differenze
nella realizzazione pratica, in maniera sostanzialmente identica in tutte le
implementazioni di un sistema unix-like, ricorrendo a quella che viene
chiamata l'interfaccia dei \textit{file descriptor}.

Per poter accedere al contenuto di un file occorre creare un canale di
comunicazione con il kernel che renda possibile operare su di esso. Questo si
fa aprendo il file con la funzione \func{open} (vedi
sez.~\ref{sec:file_open_close}) che provvederà a localizzare l'\textit{inode}
del file e inizializzare i puntatori che rendono disponibili le funzioni che
il VFS mette a disposizione (quelle di
tab.~\ref{tab:file_file_operations}). Una volta terminate le operazioni, il 
file dovrà essere chiuso, e questo chiuderà il canale di comunicazione
impedendo ogni ulteriore operazione.

All'interno di ogni processo i file aperti sono identificati da un numero
intero non negativo, che viene chiamato appunto \textit{file descriptor}.
Quando un file viene aperto la funzione \func{open} restituisce questo numero,
tutte le ulteriori operazioni dovranno essere compiute specificando questo
stesso numero come argomento alle varie funzioni dell'interfaccia.

\itindbeg{process~table}
\itindbeg{file~table}

Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come il
kernel gestisce l'interazione fra processi e file.  Abbiamo già accennato in
sez.~\ref{sec:proc_hierarchy} come il kernel mantenga un elenco di tutti
processi nella cosiddetta \textit{process table}. Lo stesso, come accennato in
sez.~\ref{sec:file_vfs_work}, vale anche per tutti i file aperti, il cui
elenco viene mantenuto nella cosiddetta \textit{file table}.

La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
processo attivo nel sistema. Ciascuna voce è costituita dal puntatore a una
struttura di tipo \kstruct{task\_struct} nella quale sono raccolte tutte le
informazioni relative al processo, fra queste informazioni c'è anche il
puntatore ad una ulteriore struttura di tipo
\kstruct{files\_struct},\footnote{la definizione corrente di questa struttura
  si trova nel file \texttt{include/linux/fdtable.h} dei sorgenti del kernel,
  quella mostrata in fig.~\ref{fig:file_proc_file} è una versione pesantemente
  semplificata.} che contiene le informazioni relative ai file che il processo
ha aperto.

La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
che è stato aperto nel sistema. Come accennato in sez.~\ref{sec:file_vfs_work}
per ogni file aperto viene allocata una struttura \kstruct{file} e la
\textit{file table} è costituita da un elenco di puntatori a ciascuna di
queste strutture, che, come illustrato in fig.~\ref{fig:kstruct_file},
contengono le informazioni necessarie per la gestione dei file, ed in
particolare:
\begin{itemize*}
\item i flag di stato del file nel campo \var{f\_flags}.
\item la posizione corrente nel file, il cosiddetto \textit{offset}, nel campo
  \var{f\_pos}.
\item un puntatore alla struttura \kstruct{inode} che identifica
  l'\textit{inode} del file.\footnote{nel kernel 2.4.x si è in realtà passati
    ad un puntatore ad una struttura \kstruct{dentry} che punta a sua volta
    all'\textit{inode} passando per la nuova struttura del VFS.}
\item un puntatore \var{f\_op} alla tabella delle funzioni che si possono
  usare sul file.\footnote{quelle della struttura \kstruct{file\_operation},
    descritte sommariamente in tab.~\ref{tab:file_file_operations}.}
\end{itemize*}

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[width=12cm]{img/procfile}
  \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
  l'interfaccia dei file descriptor.}
  \label{fig:file_proc_file}
\end{figure}

In fig.~\ref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema semplificato in cui
è illustrata questa architettura, ed in cui si sono evidenziate le
interrelazioni fra la \textit{file table}, la \textit{process table} e le
varie strutture di dati che il kernel mantiene per ciascun file e ciascun
processo.

\itindend{process~table}

Come si può notare alla fine il collegamento che consente di porre in
relazione i file ed i processi è effettuato attraverso i dati mantenuti nella
struttura \kstruct{files\_struct}, essa infatti contiene alcune informazioni
essenziali come:
\begin{itemize*}
\item i flag relativi ai file aperti dal processo.
\item il numero di file aperti dal processo.
\item la \itindex{file~descriptor~table} \textit{file descriptor table}, una
  tabella con i puntatori, per ciascun file aperto, alla relativa voce nella
  \textit{file table}.
\end{itemize*}

In questa infrastruttura un file descriptor non è altro che l'intero positivo
che indicizza quest'ultima tabella, e che consente di recuperare il puntatore
alla struttura \kstruct{file} corrispondente al file aperto dal processo a cui
era stato assegnato questo indice. Una volta ottenuta grazie al file
descriptor la struttura \kstruct{file} corrispondente al file voluto nella
\textit{file table}, il kernel potrà usare le funzioni messe disposizione dal
VFS per eseguire sul file tutte le operazioni necessarie.

Il meccanismo dell'apertura dei file prevede che venga sempre fornito il primo
file descriptor libero nella tabella, e per questo motivo essi vengono
assegnati in successione tutte le volte che si apre un nuovo file, posto che
non ne sia stato chiuso nessuno in precedenza.

\itindbeg{standard~input} 
\itindbeg{standard~output}
\itindbeg{standard~error}

In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
processo si aspetta di avere sempre tre file aperti che, per quanto appena
detto, avranno come \textit{file descriptor} i valori 0, 1 e 2.  Il primo file
è sempre associato al cosiddetto \textit{standard input}, è cioè il file da
cui un processo si aspetta di dover leggere i dati in ingresso. Il secondo
file è il cosiddetto \textit{standard output}, cioè quello su cui ci si
aspetta di dover scrivere i dati in uscita. Il terzo è lo \textit{standard
  error}, su cui vengono scritti i dati relativi agli errori.

\itindend{file~descriptor} 


Benché questa sia alla fine soltanto una convenzione, essa è seguita dalla
totalità delle applicazioni, e non aderirvi potrebbe portare a problemi di
interoperabilità.  Nel caso della shell tutti questi file sono associati al
terminale di controllo, e corrispondono quindi alla lettura della tastiera per
l'ingresso e alla scrittura sul terminale per l'uscita.  Lo standard POSIX.1
provvede, al posto dei valori numerici, tre costanti simboliche, definite in
tab.~\ref{tab:file_std_files}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|l|}
    \hline
    \textbf{File} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{STDIN\_FILENO}  & file descriptor dello \textit{standard input}.\\ 
    \constd{STDOUT\_FILENO} & file descriptor dello \textit{standard output}.\\
    \constd{STDERR\_FILENO} & file descriptor dello \textit{standard error}.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Costanti definite in \headfile{unistd.h} per i file standard.}
  \label{tab:file_std_files}
\end{table}

\itindend{standard~input} 
\itindend{standard~output}
\itindend{standard~error}

In fig.~\ref{fig:file_proc_file} si è rappresentata una situazione diversa
rispetto a quella usuale della shell, in cui tutti e tre questi file fanno
riferimento al terminale su cui si opera. Nell'esempio invece viene illustrata
la situazione di un programma in cui lo \textit{standard input} è associato ad
un file mentre lo \textit{standard output} e lo \textit{standard error} sono
associati ad un altro file.  Si noti poi come per questi ultimi le strutture
\kstruct{file} nella \textit{file table}, pur essendo distinte, fanno
riferimento allo stesso \textit{inode}, dato che il file che è stato aperto lo
stesso. Questo è quello che avviene normalmente quando si apre più volte lo
stesso file.

Si ritrova quindi anche con le voci della \textit{file table} una situazione
analoga di quella delle voci di una directory, con la possibilità di avere più
voci che fanno riferimento allo stesso \textit{inode}. L'analogia è in realtà
molto stretta perché quando si cancella un file, il kernel verifica anche che
non resti nessun riferimento in una qualunque voce della \textit{file table}
prima di liberare le risorse ad esso associate e disallocare il relativo
\textit{inode}.

Nelle vecchie versioni di Unix (ed anche in Linux fino al kernel 2.0.x) il
numero di file aperti era anche soggetto ad un limite massimo dato dalle
dimensioni del vettore di puntatori con cui era realizzata la tabella dei file
descriptor dentro \kstruct{files\_struct}. Questo limite intrinseco nei kernel
più recenti non sussiste più, dato che si è passati da un vettore ad una
lista, ma restano i limiti imposti dall'amministratore (vedi
sez.~\ref{sec:sys_limits}).

\itindend{file~table}


\subsection{Apertura, creazione e chiusura di un file}
\label{sec:file_open_close}

La funzione di sistema \funcd{open} è la principale funzione dell'interfaccia
di gestione dei file, quella che dato un \textit{pathname} consente di
ottenere un file descriptor ``\textsl{aprendo}'' il file
corrispondente,\footnote{è \func{open} che alloca \kstruct{file}, la inserisce
  nella \textit{file table} e crea il riferimento nella
  \kstruct{files\_struct} del processo.} il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h}
\fhead{sys/stat.h}
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
\fdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}

\fdesc{Apre un file.} 
}

{La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e $-1$ per un
  errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EEXIST}] \param{pathname} esiste e si è specificato
    \const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}.
  \item[\errcode{EINTR}] la funzione era bloccata ed è stata interrotta da un
    segnale (vedi sez.~\ref{sec:sig_gen_beha}).
  \item[\errcode{EINVAL}] si è usato \const{O\_CREAT} indicando un pathname
    con caratteri non supportati dal filesystem sottostante o si è richiesto
    \const{O\_TMPFILE} senza indicare \const{O\_WRONLY} o \const{O\_RDWR} o si
    è usato \const{O\_DIRECT} per un filesystem che non lo supporta.
  \item[\errcode{EISDIR}] \param{pathname} indica una directory e o si è
    tentato un accesso che prevede la scrittura o si è usato
    \const{O\_TMPFILE} con accesso che prevede la scrittura ma il kernel non
    supporta la funzionalità.
  \item[\errcode{EFBIG}] il file è troppo grande per essere aperto, in genere
    dovuto al fatto che si è compilata una applicazione a 32 bit senza
    abilitare il supporto per le dimensioni a 64 bit; questo è il valore
    restituito fino al kernel 2.6.23, coi successivi viene restituito
    \errcode{EOVERFLOW} come richiesto da POSIX.1.
  \item[\errcode{ELOOP}] si sono incontrati troppi collegamenti simbolici nel
    risolvere \param{pathname} o si è indicato \const{O\_NOFOLLOW} e
    \param{pathname} è un collegamento simbolico (e non si è usato
    \const{O\_PATH}).
  \item[\errcode{ENODEV}] \param{pathname} si riferisce a un file di
    dispositivo che non esiste.
  \item[\errcode{ENOENT}] \param{pathname} non esiste e non si è richiesto
    \const{O\_CREAT}, o non esiste un suo componente, o si riferisce ad una
    directory inesistente, si è usato \const{O\_TMPFILE} con accesso che
    prevede la scrittura ma il kernel non supporta la funzionalità.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] si è specificato \const{O\_DIRECTORY} e
    \param{pathname} non è una directory.
  \item[\errcode{ENXIO}] si sono impostati \const{O\_NONBLOCK} o
    \const{O\_WRONLY} ed il file è una \textit{fifo} che non viene letta da
    nessun processo o \param{pathname} è un file di dispositivo ma il
    dispositivo è assente.
  \item[\errcode{EPERM}] si è specificato \const{O\_NOATIME} e non si è né
    amministratori né proprietari del file.
  \item[\errcode{ETXTBSY}] si è cercato di accedere in scrittura all'immagine
    di un programma in esecuzione.
  \item[\errcode{EWOULDBLOCK}] la funzione si sarebbe bloccata ma si è
    richiesto \const{O\_NONBLOCK}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EACCES}, \errval{EDQUOT}, \errval{EFAULT}, \errval{EMFILE},
  \errval{ENAMETOOLONG}, \errval{ENFILE}, \errval{ENOMEM}, \errval{ENOSPC},
  \errval{EROFS}, nel loro significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione apre il file indicato da \param{pathname} nella modalità indicata
da \param{flags}. Essa può essere invocata in due modi diversi, specificando
opzionalmente un terzo argomento \param{mode}. Qualora il file non esista e
venga creato, questo argomento consente di indicare quali permessi dovranno
essergli assegnati.\footnote{questo è possibile solo se si è usato in
  \param{flags} uno fra \const{O\_CREATE} e \const{O\_TMPFILE}, in tutti gli
  altri casi sarà ignorato.} I valori possibili sono gli stessi già visti in
sez.~\ref{sec:file_perm_overview} e possono essere specificati come OR binario
delle costanti descritte in tab.~\ref{tab:file_bit_perm}. Questi permessi sono
comunque filtrati dal valore della \textit{umask} (vedi
sez.~\ref{sec:file_perm_management}) del processo.

La funzione restituisce sempre il primo file descriptor libero, una
caratteristica che permette di prevedere qual è il valore del file descriptor
che si otterrà al ritorno di \func{open}, e che viene spesso usata dalle
applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard visti in
tab.~\ref{tab:file_std_files}. Se ad esempio si chiude lo \textit{standard
  input} e si apre subito dopo un nuovo file questo diventerà il nuovo
\textit{standard input} dato che avrà il file descriptor 0.

Al momento dell'apertura il nuovo file descriptor non è condiviso con nessun
altro processo (torneremo sul significato della condivisione dei file
descriptor, che in genere si ottiene dopo una \func{fork}, in
sez.~\ref{sec:file_shared_access}) ed è impostato, come accennato in
sez.~\ref{sec:proc_exec}, per restare aperto attraverso una
\func{exec}. Inoltre la posizione sul file, il cosiddetto \textit{offset}, è
impostata all'inizio del file. Una volta aperto un file si potrà operare su di
esso direttamente tramite il file descriptor, e quanto avviene al
\textit{pathname} con cui lo si è aperto sarà del tutto ininfluente.

\itindbeg{file~status~flags}

Il comportamento della funzione, e le diverse modalità con cui può essere
aperto il file, vengono controllati dall'argomento \param{flags} il cui valore
deve essere indicato come maschera binaria in cui ciascun bit ha un
significato specifico.  Alcuni di questi bit vanno anche a costituire i
cosiddetti \textit{file status flags} (i \textsl{flag di stato} del file), che
vengono mantenuti nel campo \var{f\_flags} della struttura \kstruct{file} che
abbiamo riportato anche in fig.~\ref{fig:file_proc_file}).

Ciascun flag viene identificato da una apposita costante, ed il valore
di \param{flags} deve essere specificato come OR aritmetico di queste
costanti. Inoltre per evitare problemi di compatibilità con funzionalità che
non sono previste o non ancora supportate in versioni meno recenti del kernel,
la \func{open} di Linux ignora i flag che non riconosce, pertanto
l'indicazione di un flag inesistente non provoca una condizione di errore.

I vari bit che si possono usare come componenti di \param{flags} sono divisi
in tre gruppi principali. Il primo gruppo è quello dei cosiddetti flag delle
\textsl{modalità di accesso} (o \textit{access mode flags}), che specificano
che tipo di accesso si effettuerà sul file, fra lettura, scrittura e
lettura/scrittura. Questa modalità deve essere indicata usando una delle
costanti di tab.~\ref{tab:open_access_mode_flag}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
    \begin{tabular}[c]{|l|l|}
      \hline
      \textbf{Flag} & \textbf{Significato} \\
      \hline
      \hline
      \constd{O\_RDONLY} & Apre il file in sola lettura.\\
      \constd{O\_WRONLY} & Apre il file in sola scrittura.\\
      \constd{O\_RDWR}   & Apre il file sia in lettura che in scrittura.\\
      \hline
    \end{tabular}
    \caption{Le tre costanti che identificano le modalità di accesso
      nell'apertura di un file.}
  \label{tab:open_access_mode_flag}
\end{table}

A differenza di tutti gli altri flag che vedremo in seguito, in questo caso
non si ha a che fare con singoli bit separati dell'argomento \param{flags}, ma
con un numero composto da due bit. Questo significa ad esempio che la
combinazione \code{\const{O\_RDONLY}|\const{O\_WRONLY}} non è affatto
equivalente a \const{O\_RDWR}, e non deve essere usata.\footnote{in realtà
  su Linux, dove i valori per le tre costanti di
  tab.~\ref{tab:open_access_mode_flag} sono rispettivamente $0$, $1$ e $2$, il
  valore $3$ viene usato con un significato speciale, ed assolutamente fuori
  standard, disponibile solo per i file di dispositivo e solo per alcuni
  driver, in cui si richiede la verifica della capacità di accesso in lettura
  e scrittura ma viene restituito un file descriptor che non può essere letto
  o scritto, ma solo usato con una \func{ioctl} (vedi
  sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).}

La modalità di accesso deve sempre essere specificata quando si apre un file,
il valore indicato in \param{flags} viene salvato nei \textit{file status
  flags}, e può essere riletto con \func{fcntl} (vedi
sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}), il relativo valore può essere poi ottenuto
un AND aritmetico della maschera binaria \constd{O\_ACCMODE}, ma non può essere
modificato. Nella \acr{glibc} sono definite inoltre \constd{O\_READ} come
sinonimo di \const{O\_RDONLY} e \constd{O\_WRITE} come sinonimo di
\const{O\_WRONLY}.\footnote{si tratta di definizioni completamente fuori
  standard, attinenti, insieme a \constd{O\_EXEC} che permetterebbe l'apertura
  di un file per l'esecuzione, ad un non meglio precisato ``\textit{GNU
    system}''; pur essendo equivalenti alle definizioni classiche non è
  comunque il caso di utilizzarle.}

\itindend{file~status~flags}

Il secondo gruppo di flag è quello delle \textsl{modalità di
  apertura},\footnote{la pagina di manuale di \func{open} parla di
  \textit{file creation flags}, ma alcuni di questi flag non hanno nulla a che
  fare con la creazione dei file, mentre il manuale dalla \acr{glibc} parla di
  più correttamente di \textit{open-time flags}, dato che si tratta di flag il
  cui significato ha senso solo al momento dell'apertura del file.} che
permettono di specificare alcune delle caratteristiche del comportamento di
\func{open} nel momento in viene eseguita per aprire un file. Questi flag
hanno effetto solo nella chiamata della funzione, non sono memorizzati fra i
\textit{file status flags} e non possono essere riletti da \func{fcntl} (vedi
sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
    \begin{tabular}[c]{|l|p{10 cm}|}
      \hline
      \textbf{Flag} & \textbf{Significato} \\
      \hline
      \hline
      \constd{O\_CREAT}  & Se il file non esiste verrà creato, con le regole
                           di titolarità del file viste in
                           sez.~\ref{sec:file_ownership_management}. Se si
                           imposta questo flag l'argomento \param{mode} deve
                           essere sempre specificato.\\  
      \constd{O\_DIRECTORY}& Se \param{pathname} non è una directory la
                             chiamata fallisce. Questo flag, introdotto con il
                             kernel 2.1.126, è specifico di Linux e
                             serve ad evitare dei possibili
                             \itindex{Denial~of~Service~(DoS)}
                             \textit{DoS}\footnotemark quando \func{opendir} 
                             viene chiamata su una \textit{fifo} o su un
                             dispositivo associato ad una unità a nastri. Non
                             viene usato al di fuori dell'implementazione di
                             \func{opendir}, ed è utilizzabile soltanto se si è
                             definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.\\
      \constd{O\_EXCL}   & Deve essere usato in congiunzione con
                           \const{O\_CREAT} ed in tal caso impone che il file
                           indicato da \param{pathname} non sia già esistente
                           (altrimenti causa il fallimento della chiamata con
                           un errore di \errcode{EEXIST}).\\
      \constd{O\_LARGEFILE}& Viene usato sui sistemi a 32 bit per richiedere
                             l'apertura di file molto grandi, la cui
                             dimensione non è rappresentabile con la versione a
                             32 bit del tipo \type{off\_t}, utilizzando
                             l'interfaccia alternativa abilitata con la
                             macro \macro{\_LARGEFILE64\_SOURCE}. Come
                             illustrato in sez.~\ref{sec:intro_gcc_glibc_std} è
                             sempre preferibile usare la conversione automatica
                             delle funzioni che si attiva assegnando a $64$ la
                             macro \macro{\_FILE\_OFFSET\_BITS}, e non usare mai
                             questo flag.\\
      \constd{O\_NOCTTY} & Se \param{pathname} si riferisce ad un dispositivo
                           di terminale, questo non diventerà il terminale di
                           controllo, anche se il processo non ne ha ancora
                           uno (si veda sez.~\ref{sec:sess_ctrl_term}).\\ 
      \constd{O\_NOFOLLOW}& Se \param{pathname} è un collegamento simbolico
                            la chiamata fallisce. Questa è un'estensione BSD
                            aggiunta in Linux a partire dal kernel
                            2.1.126, ed utilizzabile soltanto se si è definita
                            la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.\\
      \const{O\_TMPFILE} & Consente di creare un file temporaneo anonimo, non
                           visibile con un pathname sul filesystem, ma
                           leggibile e scrivibile all'interno del processo.
                           Introdotto con il kernel 3.11, è specifico di
                           Linux.\\ 
      \constd{O\_TRUNC}  & Se usato su un file di dati aperto in scrittura,
                           ne tronca la lunghezza a zero; con un terminale o
                           una \textit{fifo} viene ignorato, negli altri casi
                           il comportamento non è specificato.\\ 
      \hline
    \end{tabular}
    \caption{Le costanti che identificano le \textit{modalità di apertura} di
      un file.} 
  \label{tab:open_time_flag}
\end{table}

\footnotetext{acronimo di \itindex{Denial~of~Service~(DoS)} \textit{Denial of
    Service}, si chiamano così attacchi miranti ad impedire un servizio
  causando una qualche forma di carico eccessivo per il sistema, che resta
  bloccato nelle risposte all'attacco.}

Si è riportato in tab.~\ref{tab:open_time_flag} l'elenco dei flag delle
\textsl{modalità di apertura}.\footnote{la \acr{glibc} definisce anche i due
  flag \constd{O\_SHLOCK}, che aprirebbe il file con uno \textit{shared lock}
  e \constd{O\_EXLOCK} che lo aprirebbe con un \textit{exclusive lock} (vedi
  sez.~\ref{sec:file_locking}), si tratta di opzioni specifiche di BSD, che non
  esistono con Linux.}  Uno di questi, \const{O\_EXCL}, ha senso solo se usato
in combinazione a \const{O\_CREAT} quando si vuole creare un nuovo file per
assicurarsi che questo non esista di già, e lo si usa spesso per creare i
cosiddetti ``\textsl{file di lock}'' (vedi sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).

Si tenga presente che questa opzione è supportata su NFS solo a partire da
NFSv3 e con il kernel 2.6, nelle versioni precedenti la funzionalità viene
emulata controllando prima l'esistenza del file per cui usarla per creare un
file di lock potrebbe dar luogo a una \textit{race condition}, in tal caso
infatti un file potrebbe venir creato fra il controllo la successiva apertura
con \const{O\_CREAT}; la cosa si può risolvere comunque creando un file con un
nome univoco ed usando la funzione \func{link} per creare il file di lock,
(vedi sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).

Se si usa \const{O\_EXCL} senza \const{O\_CREAT} il comportamento è
indefinito, escluso il caso in cui viene usato con \const{O\_TMPFILE} su cui
torneremo più avanti; un'altra eccezione è quello in cui lo si usa da solo su
un file di dispositivo, in quel caso se questo è in uso (ad esempio se è
relativo ad un filesystem che si è montato) si avrà un errore di
\errval{EBUSY}, e pertanto può essere usato in questa modalità per rilevare lo
stato del dispositivo.

Nella creazione di un file con \const{O\_CREAT} occorre sempre specificare
l'argomento di \param{mode}, che altrimenti è ignorato. Si tenga presente che
indipendentemente dai permessi che si possono assegnare, che in seguito
potrebbero non consentire lettura o scrittura, quando il file viene aperto
l'accesso viene garantito secondo quanto richiesto con i flag di
tab.~\ref{tab:open_access_mode_flag}.  Quando viene creato un nuovo file
\const{O\_CREAT} con tutti e tre i tempi del file di
tab.~\ref{tab:file_file_times} vengono impostati al tempo corrente. Se invece
si tronca il file con \const{O\_TRUNC} verranno impostati soltanto il
\textit{modification time} e lo \textit{status change time}.

Il flag \label{open_o_tmpfile_flag} \constd{O\_TMPFILE}, introdotto con il
kernel 3.11,\footnote{inizialmente solo su alcuni filesystem (i vari
  \acr{extN}, \acr{Minix}, \acr{UDF}, \acr{shmem}) poi progressivamente esteso
  ad altri (\acr{XFS} con il 3.15, \acr{Btrfs} e \acr{F2FS} con il 3.16,
  \acr{ubifs} con il 4.9).}  consente di aprire un file temporaneo senza che
questo venga associato ad un nome e compaia nel filesystem. In questo caso la
funzione restituirà un file descriptor da poter utilizzare per leggere e
scrivere dati, ma il contenuto dell'argomento \param{path} verrà usato
solamente per determinare, in base alla directory su cui si verrebbe a trovare
il \textit{pathname} indicato, il filesystem all'interno del quale deve essere
allocato l'\textit{inode} e lo spazio disco usato dal file
descriptor. L'\textit{inode} resterà anonimo e l'unico riferimento esistente
sarà quello contenuto nella \textit{file table} del processo che ha chiamato
\func{open}.

Lo scopo principale del flag è quello fornire una modalità atomica, semplice e
sicura per applicare la tecnica della creazione di un file temporaneo seguita
dalla sua immediata cancellazione con \func{unlink} per non lasciare rimasugli
sul filesystem, di cui è parlato in sez.~\ref{sec:link_symlink_rename}.
Inoltre, dato che il file non compare nel filesystem, si evitano alla radice
tutti gli eventuali problemi di \textit{race condition} o \textit{symlink
  attack} e non ci si deve neanche preoccupare di ottenere un opportuno nome
univoco con l'uso delle funzioni di sez.~\ref{sec:file_temp_file}.

Una volta aperto il file vi si potrà leggere o scrivere a seconda che siano
utilizzati \const{O\_RDWR} o \const{O\_WRONLY}, mentre l'uso di
\func{O\_RDONLY} non è consentito, non avendo molto senso ottenere un file
descriptor su un file che nasce vuoto per cui non si potrà comunque leggere
nulla. L'unico altro flag che può essere utilizzato insieme a
\const{O\_TMPFILE} è \const{O\_EXCL}, che in questo caso assume però un
significato diverso da quello ordinario, dato che in questo caso il file
associato al file descriptor non esiste comunque.

L'uso di \const{O\_EXCL} attiene infatti all'altro possibile impiego di
\const{O\_TMPFILE} oltre a quello citato della creazione sicura di un file
temporaneo come sostituto sicuro di \func{tmpfile}: la possibilità di creare
un contenuto iniziale per un file ed impostarne permessi, proprietario e
attributi estesi con \func{fchmod}, \func{fchown} e \func{fsetxattr}, senza
possibilità di \textit{race condition} ed interferenze esterne, per poi far
apparire il tutto sul filesystem in un secondo tempo utilizzando \func{linkat}
sul file descriptor (torneremo su questo in sez.~\ref{sec:file_openat}) per
dargli un nome. Questa operazione però non sarà possibile se si è usato
\const{O\_EXCL}, che in questo caso viene ad assumere il significato di
escludere la possibilità di far esistere il file anche in un secondo tempo.

% NOTE: per O_TMPFILE vedi: http://kernelnewbies.org/Linux_3.11
% https://lwn.net/Articles/558598/ http://lwn.net/Articles/619146/


\begin{table}[!htb]
  \centering
  \footnotesize
    \begin{tabular}[c]{|l|p{10 cm}|}
      \hline
      \textbf{Flag} & \textbf{Significato} \\
      \hline
      \hline
      \constd{O\_APPEND} & Il file viene aperto in \textit{append mode}. La
                           posizione sul file (vedi sez.~\ref{sec:file_lseek})
                           viene sempre mantenuta sulla sua coda, per cui
                           quanto si scrive viene sempre aggiunto al contenuto
                           precedente. Con NFS questa funzionalità non è
                           supportata e viene emulata, per questo possono
                           verificarsi \textit{race condition} con una
                           sovrapposizione dei dati se più di un processo
                           scrive allo stesso tempo.\\ 
      \constd{O\_ASYNC}  & Apre il file per l'I/O in modalità asincrona (vedi
                           sez.~\ref{sec:signal_driven_io}). Quando è
                           impostato viene generato il segnale \signal{SIGIO}
                           tutte le volte che il file è pronto per le
                           operazioni di lettura o scrittura. Questo flag si
                           può usare solo terminali, pseudo-terminali e socket
                           e, a partire dal kernel 2.6, anche sulle
                           \textit{fifo}. Per un bug dell'implementazione non
                           è opportuno usarlo in fase di apertura del file,
                           deve invece essere attivato successivamente con
                           \func{fcntl}.\\
      \constd{O\_CLOEXEC}& Attiva la modalità di \textit{close-on-exec} (vedi
                           sez.~\ref{sec:proc_exec}) sul file. Il flag è 
                           previsto dallo standard POSIX.1-2008, ed è stato
                           introdotto con il kernel 2.6.23 per evitare una
                           \textit{race condition} che si potrebbe verificare
                           con i \textit{thread} fra l'apertura del file e
                           l'impostazione della suddetta modalità con
                           \func{fcntl} (vedi
                           sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).\\ 
      \const{O\_DIRECT}  & Esegue l'I/O direttamente dalla memoria in
                           \textit{user space} in maniera sincrona, in modo da
                           scavalcare i meccanismi di bufferizzazione del
                           kernel. Introdotto con il kernel 2.4.10 ed
                           utilizzabile soltanto se si è definita la 
                           macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.\\ 
      \constd{O\_NOATIME}& Blocca l'aggiornamento dei tempi di accesso dei
                           file (vedi sez.~\ref{sec:file_file_times}). Per
                           molti filesystem questa funzionalità non è
                           disponibile per il singolo file ma come opzione
                           generale da specificare in fase di
                           montaggio. Introdotto con il kernel 2.6.8 ed 
                           utilizzabile soltanto se si è definita la 
                           macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.\\ 
      \constd{O\_NONBLOCK}& Apre il file in \textsl{modalità non bloccante} per
                            le operazioni di I/O (vedi
                            sez.~\ref{sec:file_noblocking}). Questo significa
                            il fallimento delle successive operazioni di
                            lettura o scrittura qualora il file non sia pronto
                            per la loro esecuzione immediata, invece del 
                            blocco delle stesse in attesa di una successiva
                            possibilità di esecuzione come avviene
                            normalmente. Questa modalità ha senso solo per le
                            \textit{fifo}, vedi sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}),
                            o quando si vuole aprire un file di dispositivo
                            per eseguire una \func{ioctl} (vedi
                            sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).\\ 
      \constd{O\_NDELAY} & In Linux è un sinonimo di \const{O\_NONBLOCK}, ma
                           origina da SVr4, dove però causava il ritorno da
                           una \func{read} con un valore nullo e non con un
                           errore, questo introduce un'ambiguità, dato che
                           come vedremo in sez.~\ref{sec:file_read} il ritorno
                           di un valore nullo da parte di \func{read} ha 
                           il significato di una \textit{end-of-file}.\\
      \const{O\_PATH}    & Ottiene un file descriptor io cui uso è limitato
                           all'indicare una posizione sul filesystem o
                           eseguire operazioni che operano solo a livello del
                           file descriptor (e non di accesso al contenuto del
                           file). Introdotto con il kernel 2.6.39, è specifico
                           di Linux.\\
      \constd{O\_SYNC}   & Apre il file per l'input/output sincrono. Ogni
                           scrittura si bloccherà fino alla conferma
                           dell'arrivo di tutti i dati e di tutti i metadati
                           sull'hardware sottostante (in questo significato
                           solo dal kernel 2.6.33).\\
      \constd{O\_DSYNC}  & Apre il file per l'input/output sincrono. Ogni
                           scrittura di dati si bloccherà fino alla conferma
                           dell'arrivo degli stessi e della parte di metadati
                           ad essi relativa sull'hardware sottostante (in
                           questo significato solo dal kernel 2.6.33).\\
      \hline
    \end{tabular}
    \caption{Le costanti che identificano le \textit{modalità di operazione} di
      un file.} 
  \label{tab:open_operation_flag}
\end{table}

Il terzo gruppo è quello dei flag delle \textsl{modalità di operazione},
riportati in tab.~\ref{tab:open_operation_flag}, che permettono di specificare
varie caratteristiche del comportamento delle operazioni di I/O che verranno
eseguite sul file o le modalità in cui lo si potrà utilizzare. Tutti questi,
tranne \const{O\_CLOEXEC}, che viene mantenuto per ogni singolo file
descriptor, vengono salvati nel campo \var{f\_flags} della struttura
\kstruct{file} insieme al valore della \textsl{modalità di accesso}, andando
far parte dei \textit{file status flags}. Il loro valore viene impostato alla
chiamata di \func{open}, ma possono venire riletti in un secondo tempo con
\func{fcntl}, inoltre alcuni di essi possono anche essere modificati tramite
questa funzione, con conseguente effetto sulle caratteristiche operative che
controllano (torneremo sull'argomento in sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).

Il flag \const{O\_ASYNC} (che, per compatibilità con BSD, si può indicare
anche con la costante \constd{FASYNC}) è definito come possibile valore per
\func{open}, ma per un bug dell'implementazione,\footnote{segnalato come
  ancora presente nella pagina di manuale, almeno fino al novembre 2018.} non
solo non attiva il comportamento citato, ma se usato richiede di essere
esplicitamente disattivato prima di essere attivato in maniera effettiva con
l'uso di \func{fcntl}. Per questo motivo, non essendovi nessuna necessità
specifica di definirlo in fase di apertura del file, è sempre opportuno
attivarlo in un secondo tempo con \func{fcntl} (vedi
sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).

Il flag \constd{O\_DIRECT} non è previsto da nessuno standard, anche se è
presente in alcuni kernel unix-like.\footnote{il flag è stato introdotto dalla
  SGI in IRIX, ma è presente senza limiti di allineamento dei buffer anche in
  FreeBSD.} Per i kernel della serie 2.4 si deve garantire che i buffer in
\textit{user space} da cui si effettua il trasferimento diretto dei dati siano
allineati alle dimensioni dei blocchi del filesystem. Con il kernel 2.6 in
genere basta che siano allineati a multipli di 512 byte, ma le restrizioni
possono variare a seconda del filesystem, ed inoltre su alcuni filesystem
questo flag può non essere supportato, nel qual caso si avrà un errore di
\errval{EINVAL}.

Lo scopo di \const{O\_DIRECT} è consentire un completo controllo sulla
bufferizzazione dei propri dati per quelle applicazioni (in genere database)
che hanno esigenze specifiche che non vengono soddisfatte nella maniera più
efficiente dalla politica generica utilizzata dal kernel. In genere l'uso di
questo flag peggiora le prestazioni tranne quando le applicazioni sono in
grado di ottimizzare la propria bufferizzazione in maniera adeguata. Se lo si
usa si deve avere cura di non mescolare questo tipo di accesso con quello
ordinario, in quante le esigenze di mantenere coerenti i dati porterebbero ad
un peggioramento delle prestazioni. Lo stesso dicasi per l'interazione con
eventuale mappatura in memoria del file (vedi sez.~\ref{sec:file_memory_map}).

Si tenga presente infine che anche se l'uso di \const{O\_DIRECT} comporta una
scrittura sincrona dei dati dei buffer in \textit{user space}, questo non è
completamente equivalente all'uso di \const{O\_SYNC} che garantisce anche
sulla scrittura sincrona dei metadati associati alla scrittura dei dati del
file.\footnote{la situazione si complica ulteriormente per NFS, in cui l'uso
  del flag disabilita la bufferizzazione solo dal lato del client, e può
  causare problemi di prestazioni.} Per questo in genere se si usa
\const{O\_DIRECT} è opportuno richiedere anche \const{O\_SYNC}.

Si tenga presente infine che la implementazione di \const{O\_SYNC} di Linux
differisce da quanto previsto dallo standard POSIX.1 che prevede, oltre a
questo flag che dovrebbe indicare la sincronizzazione completa di tutti i dati
e di tutti i metadati, altri due flag \const{O\_DSYNC} e \const{O\_RSYNC}. 

Il primo dei due richiede la scrittura sincrona di tutti i dati del file e dei
metadati che ne consentono l'immediata rilettura, ma non di tutti i metadati,
per evitare la perdita di prestazioni relativa alla sincronizzazione di
informazioni ausiliarie come i tempi dei file.  Il secondo, da usare in
combinazione con \const{O\_SYNC} o \const{O\_DSYNC} ne sospende l'effetto,
consentendo al kernel di bufferizzare le scritture, ma soltanto finché non
avviene una lettura, in quel caso i dati ed i metadati dovranno essere
sincronizzati immediatamente (secondo le modalità indicate da \const{O\_SYNC}
e \const{O\_DSYNC}) e la lettura verrà bloccata fintanto che detta
sincronizzazione non sia completata.

Nel caso di Linux, fino al kernel 2.6.33, esisteva solo \const{O\_SYNC}, ma
con il comportamento previsto dallo standard per \const{O\_DSYNC}, e sia
questo che \const{O\_RSYNC} erano definiti (fin dal kernel 2.1.130) come
sinonimi di \const{O\_SYNC}.  Con il kernel 2.6.33 il significato di
\const{O\_SYNC} è diventato quello dello standard, ma gli è stato assegnato un
valore diverso, mantenendo quello originario, con il comportamento
corrispondete, per \const{O\_DSYNC} in modo che applicazioni compilate con
versioni precedenti delle librerie e del kernel non trovassero un
comportamento diverso.  Inoltre il nuovo \const{O\_SYNC} è stato definito in
maniera opportuna in modo che su versioni del kernel precedenti la 2.6.33
torni a corrispondere al valore di \const{O\_DSYNC}.

% NOTE: per le differenze fra O_DSYNC, O_SYNC e O_RSYNC introdotte nella  
% nello sviluppo del kernel 2.6.33, vedi http://lwn.net/Articles/350219/ 

Il flag \constd{O\_PATH},\label{open_o_path_flag} introdotto con il kernel
2.6.39, viene usato per limitare l'uso del file descriptor restituito da
\func{open} o all'identificazione di una posizione sul filesystem (ad uso
delle \textit{at-functions} che tratteremo in sez.~\ref{sec:file_openat}) o
alle operazioni che riguardano il file descriptor in quanto tale, senza
consentire operazioni sul file; in sostanza se si apre un file con
\const{O\_PATH} si potrà soltanto:
\begin{itemize*}
\item usare il file descriptor come indicatore della directory di partenza con
  una delle \textit{at-functions} (vedi sez.~\ref{sec:file_openat});
\item cambiare directory di lavoro con \func{fchdir} se il file descriptor fa
  riferimento a una directory (dal kernel 3.5);
\item usare le funzioni che duplicano il file descriptor (vedi
  sez.~\ref{sec:file_dup});
\item passare il file descriptor ad un altro processo usando un socket
  \const{PF\_UNIX} (vedi sez.~\ref{sec:unix_socket})
\item ottenere le informazioni relative al file con \func{fstat} (dal kernel
  3.6) o al filesystem con \func{fstatfs} (dal kernel 3.12);
\item ottenere il valore dei \textit{file descriptor flags} (fra cui comparirà
  anche lo stesso \const{O\_PATH}) o impostare o leggere i \textit{file status
    flags} con \func{fcntl} (rispettivamente con le operazioni
  \const{F\_GETFL}, \const{F\_SETFD} e \const{F\_GETFD}, vedi
  sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).
\item chiudere il file con \func{close}.
\end{itemize*}

In realtà usando \const{O\_PATH} il file non viene effettivamente aperto, per
cui ogni tentativo di usare il file descriptor così ottenuto con funzioni che
operano effettivamente sul file (come ad esempio \func{read}, \func{write},
\func{fchown}, \func{fchmod}, \func{ioctl}, ecc.) fallirà con un errore di
\errval{EBADF}, come se questo non fosse un file descriptor valido. Per questo
motivo usando questo flag non è necessario avere nessun permesso per aprire un
file, neanche quello di lettura (ma occorre ovviamente avere il permesso di
esecuzione per le directory sovrastanti).

Questo consente di usare il file descriptor con funzioni che non richiedono
permessi sul file, come \func{fstat}, laddove un'apertura con
\const{O\_RDONLY} sarebbe fallita. I permessi verranno eventualmente
controllati, se necessario, nelle operazioni seguenti, ad esempio per usare
\func{fchdir} con il file descriptor (se questo fa riferimento ad una
directory) occorrerà avere il permesso di esecuzione.

Se si usa \const{O\_PATH} tutti gli altri flag eccettuati \const{O\_CLOEXEC},
\const{O\_DIRECTORY} e \const{O\_NOFOLLOW} verranno ignorati. I primi due
mantengono il loro significato usuale, mentre \const{O\_NOFOLLOW} fa si che se
il file indicato è un un link simbolico venga aperto quest'ultimo (cambiando
quindi il comportamento ordinario che prova il fallimento della chiamata),
così da poter usare il file descriptor ottenuto per le funzioni
\func{fchownat}, \func{fstatat}, \func{linkat} e \func{readlinkat} che ne
supportano l'uso come come primo argomento (torneremo su questo in
sez.~\ref{sec:file_openat}).

Nelle prime versioni di Unix i valori di \param{flag} specificabili per
\func{open} erano solo quelli relativi alle modalità di accesso del file.  Per
questo motivo per creare un nuovo file c'era una \textit{system call}
apposita, \funcd{creat}, nel caso di Linux questo non è più necessario ma la
funzione è definita ugualmente; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int creat(const char *pathname, mode\_t mode)}
\fdesc{Crea un nuovo file vuoto.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà gli stessi valori che si otterrebbero con
  \func{open}.}
\end{funcproto}

La funzione crea un nuovo file vuoto, con i permessi specificati
dall'argomento \param{mode}. È del tutto equivalente a \code{open(filedes,
  O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)} e resta solo per compatibilità con i
vecchi programmi.

Una volta che l'accesso ad un file non sia più necessario la funzione di
sistema \funcd{close} permette di ``\textsl{chiuderlo}'', in questo modo il
file non sarà più accessibile ed il relativo file descriptor ritornerà
disponibile; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int close(int fd)}
\fdesc{Chiude un file.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
    \item[\errcode{EBADF}]  \param{fd} non è un descrittore valido.
    \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EIO} nel suo significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione chiude il file descriptor \param{fd}. La chiusura rilascia ogni
eventuale blocco (il \textit{file locking} è trattato in
sez.~\ref{sec:file_locking}) che il processo poteva avere acquisito su di
esso. Se \param{fd} è l'ultimo riferimento (di eventuali copie, vedi
sez.~\ref{sec:file_shared_access} e \ref{sec:file_dup}) ad un file aperto,
tutte le risorse nella \textit{file table} vengono rilasciate. Infine se il
file descriptor era l'ultimo riferimento ad un file su disco quest'ultimo
viene cancellato.

Si ricordi che quando un processo termina tutti i suoi file descriptor vengono
automaticamente chiusi, molti programmi sfruttano questa caratteristica e non
usano esplicitamente \func{close}. In genere comunque chiudere un file senza
controllare lo stato di uscita di \func{close} un è errore; molti filesystem
infatti implementano la tecnica del cosiddetto \itindex{write-behind}
\textit{write-behind}, per cui una \func{write} può avere successo anche se i
dati non sono stati effettivamente scritti su disco. In questo caso un
eventuale errore di I/O avvenuto in un secondo tempo potrebbe sfuggire, mentre
verrebbe riportato alla chiusura esplicita del file. Per questo motivo non
effettuare il controllo può portare ad una perdita di dati
inavvertita.\footnote{in Linux questo comportamento è stato osservato con NFS
  e le quote su disco.}

In ogni caso una \func{close} andata a buon fine non garantisce che i dati
siano stati effettivamente scritti su disco, perché il kernel può decidere di
ottimizzare l'accesso a disco ritardandone la scrittura. L'uso della funzione
\func{sync} (vedi sez.~\ref{sec:file_sync}) effettua esplicitamente lo scarico
dei dati, ma anche in questo caso resta l'incertezza dovuta al comportamento
dell'hardware, che a sua volta può introdurre ottimizzazioni dell'accesso al
disco che ritardano la scrittura dei dati. Da questo deriva l'abitudine di
alcuni sistemisti di ripetere tre volte il comando omonimo prima di eseguire
lo shutdown di una macchina.

Si tenga comunque presente che ripetere la chiusura in caso di fallimento non
è opportuno, una volta chiamata \func{close} il file descriptor viene comunque
rilasciato, indipendentemente dalla presenza di errori, e se la riesecuzione
non comporta teoricamente problemi (se non la sua inutilità) se fatta
all'interno di un processo singolo, nel caso si usino i \textit{thread} si
potrebbe chiudere un file descriptor aperto nel contempo da un altro
\textit{thread}.

\subsection{La gestione della posizione nel file}
\label{sec:file_lseek}

Come già accennato in sez.~\ref{sec:file_fd} a ciascun file aperto è associata
una \textsl{posizione corrente nel file} (il cosiddetto \textit{file offset},
mantenuto nel campo \var{f\_pos} di \kstruct{file}) espressa da un numero
intero positivo che esprime il numero di byte dall'inizio del file. Tutte le
operazioni di lettura e scrittura avvengono a partire da questa posizione che
viene automaticamente spostata in avanti del numero di byte letti o scritti.

In genere, a meno di non avere richiesto la modalità di scrittura in
\textit{append} (vedi sez.~\ref{sec:file_write}) con \const{O\_APPEND}, questa
posizione viene impostata a zero all'apertura del file. È possibile impostarla
ad un valore qualsiasi con la funzione di sistema \funcd{lseek}, il cui
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h}
\fhead{unistd.h}
\fdecl{off\_t lseek(int fd, off\_t offset, int whence)}
\fdesc{Imposta la posizione sul file.} 
}

{La funzione ritorna il valore della posizione sul file in caso di successo e
  $-1$ per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] \param{whence} non è un valore valido.
    \item[\errcode{EOVERFLOW}] \param{offset} non può essere rappresentato nel
      tipo \type{off\_t}.
    \item[\errcode{ESPIPE}] \param{fd} è una \textit{pipe}, un socket o una
      \textit{fifo}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF} nel suo significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione imposta la nuova posizione sul file usando il valore indicato
da \param{offset}, che viene sommato al riferimento dato
dall'argomento \param{whence}, che deve essere indicato con una delle costanti
riportate in tab.~\ref{tab:lseek_whence_values}.\footnote{per compatibilità
  con alcune vecchie notazioni questi valori possono essere rimpiazzati
  rispettivamente con 0, 1 e 2 o con \constd{L\_SET}, \constd{L\_INCR} e
  \constd{L\_XTND}.} Si tenga presente che la chiamata a \func{lseek} non causa
nessun accesso al file, si limita a modificare la posizione corrente (cioè il
campo \var{f\_pos} della struttura \kstruct{file}, vedi
fig.~\ref{fig:file_proc_file}).  Dato che la funzione ritorna la nuova
posizione, usando il valore zero per \param{offset} si può riottenere la
posizione corrente nel file con \code{lseek(fd, 0, SEEK\_CUR)}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{SEEK\_SET}& Si fa riferimento all'inizio del file: il valore, che 
                        deve essere positivo, di \param{offset} indica
                        direttamente la nuova posizione corrente.\\
    \constd{SEEK\_CUR}& Si fa riferimento alla posizione corrente del file:
                        ad essa viene sommato \param{offset}, che può essere
                        negativo e positivo, per ottenere la nuova posizione
                        corrente.\\
    \constd{SEEK\_END}& Si fa riferimento alla fine del file: alle dimensioni
                        del file viene sommato \param{offset}, che può essere
                        negativo e positivo, per ottenere la nuova posizione
                        corrente.\\
    \hline
    \constd{SEEK\_DATA}&Sposta la posizione nel file sull'inizio del primo
                        blocco di dati dopo un \textit{hole} che segue (o
                        coincide) con la posizione indicata da \param{offset}
                        (dal kernel 3.1).\\
    \constd{SEEK\_HOLE}&Sposta la posizione sul file all'inizio del primo
                        \textit{hole} nel file che segue o inizia
                        con \param{offset}, oppure si porta su \param{offset} 
                        se questo è all'interno di un \textit{hole}, oppure si
                        porta alla fine del file se non ci sono \textit{hole}
                        dopo \param{offset} (dal kernel 3.1).\\ 
    \hline
  \end{tabular}  
  \caption{Possibili valori per l'argomento \param{whence} di \func{lseek}.} 
  \label{tab:lseek_whence_values}
\end{table}


% NOTE: per SEEK_HOLE e SEEK_DATA, inclusi nel kernel 3.1, vedi
% http://lwn.net/Articles/439623/ 

Si tenga presente inoltre che usare \const{SEEK\_END} non assicura affatto che
la successiva scrittura avvenga alla fine del file, infatti se questo è stato
aperto anche da un altro processo che vi ha scritto, la fine del file può
essersi spostata, ma noi scriveremo alla posizione impostata in precedenza
(questa è una potenziale sorgente di \textit{race condition}, vedi
sez.~\ref{sec:file_shared_access}).

Non tutti i file supportano la capacità di eseguire una \func{lseek}, in
questo caso la funzione ritorna l'errore \errcode{ESPIPE}. Questo, oltre che
per i tre casi citati nel prototipo, vale anche per tutti quei dispositivi che
non supportano questa funzione, come ad esempio per i file di
terminale.\footnote{altri sistemi, usando \const{SEEK\_SET}, in questo caso
  ritornano il numero di caratteri che vi sono stati scritti.} Lo standard
POSIX però non specifica niente in proposito. Inoltre alcuni file speciali, ad
esempio \file{/dev/null}, non causano un errore ma restituiscono un valore
indefinito.

\itindbeg{sparse~file} 
\index{file!\textit{hole}|(} 

Infine si tenga presente che, come accennato in sez.~\ref{sec:file_file_size},
con \func{lseek} è possibile impostare una posizione anche oltre la corrente
fine del file. In tal caso alla successiva scrittura il file sarà esteso a
partire da detta posizione, con la creazione di quello che viene chiamato un
``\textsl{buco}'' (in gergo \textit{hole}) nel file.  Il nome deriva dal fatto
che nonostante la dimensione del file sia cresciuta in seguito alla scrittura
effettuata, lo spazio vuoto fra la precedente fine del file e la nuova parte,
scritta dopo lo spostamento, non corrisponde ad una allocazione effettiva di
spazio su disco, che sarebbe inutile dato che quella zona è effettivamente
vuota.

Questa è una delle caratteristiche specifiche della gestione dei file di un
sistema unix-like e quando si ha questa situazione si dice che il file in
questione è uno \textit{sparse file}. In sostanza, se si ricorda la struttura
di un filesystem illustrata in fig.~\ref{fig:file_filesys_detail}, quello che
accade è che nell'\textit{inode} del file viene segnata l'allocazione di un
blocco di dati a partire dalla nuova posizione, ma non viene allocato nulla
per le posizioni intermedie. In caso di lettura sequenziale del contenuto del
file il kernel si accorgerà della presenza del buco, e restituirà degli zeri
come contenuto di quella parte del file.

Questa funzionalità comporta una delle caratteristiche della gestione dei file
su Unix che spesso genera più confusione in chi non la conosce, per cui
sommando le dimensioni dei file si può ottenere, se si hanno molti
\textit{sparse file}, un totale anche maggiore della capacità del proprio
disco e comunque maggiore della dimensione che riporta un comando come
\cmd{du}, che calcola lo spazio disco occupato in base al numero dei blocchi
effettivamente allocati per il file.

Tutto ciò avviene proprio perché in un sistema unix-like la dimensione di un
file è una caratteristica del tutto indipendente dalla quantità di spazio
disco effettivamente allocato, e viene registrata sull'\textit{inode} come le
altre proprietà del file. La dimensione viene aggiornata automaticamente
quando si estende un file scrivendoci, e viene riportata dal campo
\var{st\_size} di una struttura \struct{stat} quando si effettua la chiamata
ad una delle funzioni \texttt{*stat} viste in sez.~\ref{sec:file_stat}.

Questo comporta che la dimensione di un file, fintanto che lo si è scritto
sequenzialmente, sarà corrispondente alla quantità di spazio disco da esso
occupato, ma possono esistere dei casi, come questo in cui ci si sposta in una
posizione oltre la fine corrente del file, o come quello accennato in
sez.~\ref{sec:file_file_size} in cui si estende la dimensione di un file con
una \func{truncate}, in cui si modifica soltanto il valore della dimensione di
\var{st\_size} senza allocare spazio su disco. Così è possibile creare
inizialmente file di dimensioni anche molto grandi, senza dover occupare da
subito dello spazio disco che in realtà sarebbe inutilizzato.

\itindend{sparse~file}

A partire dal kernel 3.1, riprendendo una interfaccia adottata su Solaris,
sono state aggiunti due nuovi valori per l'argomento \param{whence}, riportati
nella seconda sezione di tab.~\ref{tab:lseek_whence_values}, che consentono di
riconoscere la presenza di \textit{hole} all'interno dei file ad uso di quelle
applicazioni (come i programmi di backup) che possono salvare spazio disco
nella copia degli \textit{sparse file}. Una applicazione può così determinare
la presenza di un \textit{hole} usando \const{SEEK\_HOLE} all'inizio del file
e determinare poi l'inizio della successiva sezione di dati usando
\const{SEEK\_DATA}. Per compatibilità con i filesystem che non supportano
questa funzionalità è previsto comunque che in tal caso \const{SEEK\_HOLE}
riporti sempre la fine del file e \const{SEEK\_DATA} il valore
di \param{offset}.

Inoltre la decisione di come riportare (o di non riportare) la presenza di un
buco in un file è lasciata all'implementazione del filesystem, dato che oltre
a quelle classiche appena esposte esistono vari motivi per cui una sezione di
un file può non contenere dati ed essere riportata come tale (ad esempio può
essere stata preallocata con \func{fallocate}, vedi
sez.~\ref{sec:file_fadvise}). Questo significa che l'uso di questi nuovi
valori non garantisce la mappatura della effettiva allocazione dello spazio
disco di un file, per il quale esiste una specifica operazione di controllo
(vedi sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).

\index{file!\textit{hole}|)} 


\subsection{Le funzioni per la lettura di un file}
\label{sec:file_read}

Una volta che un file è stato aperto (con il permesso in lettura) si possono
leggere i dati che contiene utilizzando la funzione di sistema \funcd{read},
il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{ssize\_t read(int fd, void * buf, size\_t count)}
\fdesc{Legge i dati da un file.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EAGAIN}] la funzione non ha nessun dato da restituire e si è
    aperto il file con \const{O\_NONBLOCK}.
  \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è associato ad un oggetto non leggibile,
    o lo si è ottenuto da \func{timerfd\_create} (vedi
    sez.~\ref{sec:sig_signalfd_eventfd}) e si è usato un valore sbagliato
    per \param{size} o si è usato \const{O\_DIRECT} ed il buffer non è
    allineato.
  \item[\errval{EIO}] si è tentata la lettura dal terminale di controllo
    essendo in background ignorando o bloccando \const{SIGTTIN} (vedi
    sez.~\ref{sec:term_io_design}) o per errori di basso livello sul supporto.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EFAULT} e \errval{EISDIR}, nel loro
  significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione tenta di leggere \param{count} byte dal file \param{fd} a partire
dalla posizione corrente, scrivendoli nel buffer \param{buf}.\footnote{fino ad
  un massimo di \const{0x7ffff000} byte, indipendentemente che l'architettura
  sia a 32 o 64 bit.} Dopo la lettura la posizione sul file è spostata
automaticamente in avanti del numero di byte letti. Se \param{count} è zero la
funzione restituisce zero senza nessun altro risultato. Inoltre che non è
detto che la funzione \func{read} restituisca il numero di byte richiesto, ci
sono infatti varie ragioni per cui la funzione può restituire un numero di
byte inferiore: questo è un comportamento normale, e non un errore, che
bisogna sempre tenere presente.

La prima e più ovvia di queste ragioni è che si è chiesto di leggere più byte
di quanto il file ne contenga. In questo caso il file viene letto fino alla
sua fine, e la funzione ritorna regolarmente il numero di byte letti
effettivamente. Raggiunta la fine del file, alla ripetizione di un'operazione
di lettura, otterremmo il ritorno immediato di \func{read} con uno zero.  La
condizione di raggiungimento della fine del file non è un errore, e viene
segnalata appunto da un valore di ritorno di \func{read} nullo. Ripetere
ulteriormente la lettura non avrebbe nessun effetto se non quello di
continuare a ricevere zero come valore di ritorno.

Con i \textsl{file regolari} questa è l'unica situazione in cui si può avere
un numero di byte letti inferiore a quello richiesto, ma questo non è vero
quando si legge da un terminale, da una \textit{fifo} o da una
\textit{pipe}. In tal caso infatti, se non ci sono dati in ingresso, la
\func{read} si blocca (a meno di non aver selezionato la modalità non
bloccante, vedi sez.~\ref{sec:file_noblocking}) e ritorna solo quando ne
arrivano; se il numero di byte richiesti eccede quelli disponibili la funzione
ritorna comunque, ma con un numero di byte inferiore a quelli richiesti.

Lo stesso comportamento avviene caso di lettura dalla rete (cioè su un socket,
come vedremo in sez.~\ref{sec:sock_io_behav}), o per la lettura da certi file
di dispositivo, come le unità a nastro, che restituiscono sempre i dati ad un
singolo blocco alla volta, o come le linee seriali, che restituiscono solo i
dati ricevuti fino al momento della lettura, o i terminali, per i quali si
applicano anche ulteriori condizioni che approfondiremo in
sez.~\ref{sec:sess_terminal_io}.

Infine anche le due condizioni segnalate dagli errori \errcode{EINTR} ed
\errcode{EAGAIN} non sono propriamente degli errori. La prima si verifica
quando la \func{read} è bloccata in attesa di dati in ingresso e viene
interrotta da un segnale. In tal caso l'azione da intraprendere è quella di
rieseguire la funzione, torneremo in dettaglio sull'argomento in
sez.~\ref{sec:sig_gen_beha}.  La seconda si verifica quando il file è aperto
in modalità non bloccante (con \const{O\_NONBLOCK}) e non ci sono dati in
ingresso: la funzione allora ritorna immediatamente con un errore
\errcode{EAGAIN}\footnote{in BSD si usa per questo errore la costante
  \errcode{EWOULDBLOCK}, in Linux, con la \acr{glibc}, questa è sinonima di
  \errcode{EAGAIN}, ma se si vuole essere completamente portabili occorre
  verificare entrambi i valori, dato che POSIX.1-2001 non richiede che siano
  coincidenti.} che indica soltanto che non essendoci al momento dati
disponibili occorre provare a ripetere la lettura in un secondo tempo,
torneremo sull'argomento in sez.~\ref{sec:file_noblocking}.

La funzione \func{read} è una delle \textit{system call} fondamentali,
esistenti fin dagli albori di Unix, ma nella seconda versione delle
\textit{Single Unix Specification}\footnote{questa funzione, e l'analoga
  \func{pwrite} sono state aggiunte nel kernel 2.1.60, il supporto nella
  \acr{glibc}, compresa l'emulazione per i vecchi kernel che non hanno la
  \textit{system call}, è stato aggiunto con la versione 2.1, in versioni
  precedenti sia del kernel che delle librerie la funzione non è disponibile.}
(quello che viene chiamato normalmente Unix98, vedi
sez.~\ref{sec:intro_xopen}) è stata introdotta la definizione di un'altra
funzione di sistema, \funcd{pread}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{ssize\_t pread(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
\fdesc{Legge a partire da una posizione sul file.} 
}

{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e $-1$ per un
  errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
  \func{read} e \func{lseek}.}
\end{funcproto}

La funzione prende esattamente gli stessi argomenti di \func{read} con lo
stesso significato, a cui si aggiunge l'argomento \param{offset} che indica
una posizione sul file a partire dalla quale verranno letti i \param{count}
byte. Identico è il comportamento ed il valore di ritorno, ma la posizione
corrente sul file resterà invariata.  Il valore di \param{offset} fa sempre
riferimento all'inizio del file.

L'uso di \func{pread} è equivalente all'esecuzione di una \func{lseek} alla
posizione indicata da \param{offset} seguita da una \func{read}, seguita da
un'altra \func{lseek} che riporti al valore iniziale della posizione corrente
sul file, ma permette di eseguire l'operazione atomicamente. Questo può essere
importante quando la posizione sul file viene condivisa da processi diversi
(vedi sez.~\ref{sec:file_shared_access}) ed è particolarmente utile in caso di
programmazione \textit{multi-thread} (vedi sez.~\ref{cha:threads}) quando
all'interno di un processo si vuole che le operazioni di un \textit{thread}
non possano essere influenzata da eventuali variazioni della posizione sul
file effettuate da altri \textit{thread}.

La funzione \func{pread} è disponibile anche in Linux, però diventa
accessibile solo attivando il supporto delle estensioni previste dalle
\textit{Single Unix Specification} con un valore della macro
\macro{\_XOPEN\_SOURCE} maggiore o uguale a 500 o a partire dalla \acr{glibc}
2.12 con un valore dalla macro \macro{\_POSIX\_C\_SOURCE} maggiore o uguale al
valore \val{200809L}.  Si ricordi di definire queste macro prima
dell'inclusione del file di dichiarazione \headfile{unistd.h}.


\subsection{Le funzioni per la scrittura di un file}
\label{sec:file_write}

Una volta che un file è stato aperto (con il permesso in scrittura) si può
scrivere su di esso utilizzando la funzione di sistema \funcd{write}, il cui
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{ssize\_t write(int fd, void * buf, size\_t count)}
\fdesc{Scrive i dati su un file.} 
}

{La funzione ritorna il numero di byte scritti in caso di successo e $-1$ per
  un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EAGAIN}] ci si sarebbe bloccati, ma il file era aperto in
    modalità \const{O\_NONBLOCK}.
  \item[\errcode{EDESTADDRREQ}] si è eseguita una scrittura su un socket di
    tipo \textit{datagram} (vedi sez.~\ref{sec:sock_type}) senza aver prima
    connesso il corrispondente con \func{connect} (vedi
    sez.~\ref{sec:UDP_sendto_recvfrom}).
  \item[\errcode{EFBIG}] si è cercato di scrivere oltre la dimensione massima
    consentita dal filesystem o il limite per le dimensioni dei file del
    processo o su una posizione oltre il massimo consentito.
  \item[\errcode{EINTR}] si è stati interrotti da un segnale prima di aver
    potuto scrivere qualsiasi dato.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è connesso ad un oggetto che non consente
    la scrittura o si è usato \const{O\_DIRECT} ed il buffer non è allineato.
  \item[\errcode{EPERM}] la scrittura è proibita da un \textit{file seal}
    (vedi sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}).
  \item[\errcode{EPIPE}] \param{fd} è connesso ad una \textit{pipe} il cui
    altro capo è chiuso in lettura; in questo caso viene anche generato il
    segnale \signal{SIGPIPE}, se questo viene gestito (o bloccato o ignorato)
    la funzione ritorna questo errore.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EDQUOT}, \errval{EFAULT}, \errval{EIO},
  \errval{EISDIR}, \errval{ENOSPC} nel loro significato generico.}
\end{funcproto}


\itindbeg{append~mode}

Come nel caso di \func{read} la funzione tenta di scrivere \param{count} byte
a partire dalla posizione corrente nel file e sposta automaticamente la
posizione in avanti del numero di byte scritti. Se il file è aperto in
modalità \textit{append} con \const{O\_APPEND} i dati vengono sempre scritti
alla fine del file.  Lo standard POSIX richiede che i dati scritti siano
immediatamente disponibili ad una \func{read} chiamata dopo che la
\func{write} che li ha scritti è ritornata; ma dati i meccanismi di caching
non è detto che tutti i filesystem supportino questa capacità.

\itindend{append~mode}

Se \param{count} è zero la funzione restituisce zero senza fare nient'altro.
Per i file ordinari il numero di byte scritti è sempre uguale a quello
indicato da \param{count}, a meno di un errore. Negli altri casi si ha lo
stesso comportamento di \func{read}.

Anche per \func{write} lo standard Unix98 (ed i successivi POSIX.1-2001 e
POSIX.1-2008) definiscono un'analoga \funcd{pwrite} per scrivere alla
posizione indicata senza modificare la posizione corrente nel file, il suo
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{ssize\_t pwrite(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
\fdesc{Scrive a partire da una posizione sul file.} 
}

{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e $-1$ per un
  errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
  \func{write} e \func{lseek}.}
\end{funcproto}

\noindent per questa funzione valgono le stesse considerazioni fatte per
\func{pread}, a cui si aggiunge il fatto che su Linux, a differenza di quanto
previsto dallo standard POSIX che richiederebbe di ignorarlo, se si è aperto
il file con \const{O\_APPEND} i dati saranno comunque scritti in coda al file,
ignorando il valore di \param{offset}.


\section{Caratteristiche avanzate}
\label{sec:file_adv_func}

In questa sezione approfondiremo alcune delle caratteristiche più sottili
della gestione file in un sistema unix-like, esaminando in dettaglio il
comportamento delle funzioni base, inoltre tratteremo le funzioni che
permettono di eseguire alcune operazioni avanzate con i file (il grosso
dell'argomento sarà comunque affrontato nel cap.~\ref{cha:file_advanced}).


\subsection{La gestione dell'accesso concorrente ai files}
\label{sec:file_shared_access}

In sez.~\ref{sec:file_fd} abbiamo descritto brevemente l'architettura
dell'interfaccia con i file da parte di un processo, mostrando in
fig.~\ref{fig:file_proc_file} le principali strutture usate dal kernel;
esamineremo ora in dettaglio le conseguenze che questa architettura ha nei
confronti dell'accesso concorrente allo stesso file da parte di processi
diversi.

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[width=11cm]{img/filemultacc}
  \caption{Schema dell'accesso allo stesso file da parte di due processi 
    diversi}
  \label{fig:file_mult_acc}
\end{figure}

Il primo caso è quello in cui due processi indipendenti aprono lo stesso file
su disco; sulla base di quanto visto in sez.~\ref{sec:file_fd} avremo una
situazione come quella illustrata in fig.~\ref{fig:file_mult_acc}: ciascun
processo avrà una sua voce nella \textit{file table} referenziata da un
diverso file descriptor nella sua \kstruct{file\_struct}. Entrambe le voci
nella \textit{file table} faranno però riferimento allo stesso \textit{inode}
su disco.

Questo significa che ciascun processo avrà la sua posizione corrente sul file,
la sua modalità di accesso e versioni proprie di tutte le proprietà che
vengono mantenute nella sua voce della \textit{file table}. Questo ha
conseguenze specifiche sugli effetti della possibile azione simultanea sullo
stesso file, in particolare occorre tenere presente che:
\begin{itemize*}
\item ciascun processo può scrivere indipendentemente, dopo ciascuna
  \func{write} la posizione corrente sarà cambiata solo nel processo
  scrivente. Se la scrittura eccede la dimensione corrente del file questo
  verrà esteso automaticamente con l'aggiornamento del campo \var{i\_size}
  della struttura \kstruct{inode}.
\item se un file è in modalità \const{O\_APPEND} tutte le volte che viene
  effettuata una scrittura la posizione corrente viene prima impostata alla
  dimensione corrente del file letta dalla struttura \kstruct{inode}. Dopo la
  scrittura il file viene automaticamente esteso. Questa operazione avviene
  atomicamente, ogni altro processo che usi \const{O\_APPEND} vedrà la
  dimensione estesa e continuerà a scrivere in coda al file.
\item l'effetto di \func{lseek} è solo quello di cambiare il campo
  \var{f\_pos} nella struttura \kstruct{file} della \textit{file table}, non
  c'è nessuna operazione sul file su disco. Quando la si usa per porsi alla
  fine del file la posizione viene impostata leggendo la attuale dimensione
  corrente dalla struttura \kstruct{inode}.
\end{itemize*}

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[width=11cm]{img/fileshar}
  \caption{Schema dell'accesso ai file da parte di un processo figlio}
  \label{fig:file_acc_child}
\end{figure}

Il secondo caso è quello in cui due file descriptor di due processi diversi
puntano alla stessa voce nella \textit{file table}.  Questo è ad esempio il
caso dei file aperti che vengono ereditati dal processo figlio all'esecuzione
di una \func{fork} (si ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:proc_fork}). La
situazione è illustrata in fig.~\ref{fig:file_acc_child}; dato che il processo
figlio riceve una copia dello spazio di indirizzi del padre, riceverà anche
una copia di \kstruct{file\_struct} e della relativa tabella dei file aperti.

Questo significa che il figlio avrà gli stessi file aperti del padre in
quanto la sua \kstruct{file\_struct}, pur essendo allocata in maniera
indipendente, contiene gli stessi valori di quella del padre e quindi i suoi
file descriptor faranno riferimento alla stessa voce nella \textit{file
  table}, condividendo così la posizione corrente sul file. Questo ha le
conseguenze descritte a suo tempo in sez.~\ref{sec:proc_fork}: in caso di
scrittura o lettura da parte di uno dei due processi, la posizione corrente
nel file varierà per entrambi, in quanto verrà modificato il campo
\var{f\_pos} della struttura \kstruct{file}, che è la stessa per
entrambi. Questo consente una sorta di ``\textsl{sincronizzazione}''
automatica della posizione sul file fra padre e figlio che occorre tenere
presente.

\itindbeg{close-on-exec}

Si noti inoltre che in questo caso anche i flag di stato del file, essendo
mantenuti nella struttura \kstruct{file} della \textit{file table}, vengono
condivisi, per cui una modifica degli stessi con \func{fcntl} (vedi
sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}) si applicherebbe a tutti processi che
condividono la voce nella \textit{file table}. Ai file però sono associati
anche altri flag detti \itindex{file~descriptor~flags} \textit{file descriptor
  flags}. Questi invece sono mantenuti in \kstruct{file\_struct}, e perciò
sono locali per ciascun processo e non vengono modificati dalle azioni degli
altri anche in caso di condivisione della stessa voce della \textit{file
  table}; l'unico usato al momento è quello di \textit{close-on-exec} che
indica che il file descriptor deve essere chiuso in una \func{exec} (vedi
sez.~\ref{sec:proc_exec}).

\itindend{close-on-exec}

Si tenga presente dunque che in un sistema unix-like è sempre possibile per
più processi accedere in contemporanea allo stesso file e che non esistono, a
differenza di altri sistemi operativi, dei meccanismi di blocco o di
restrizione dell'accesso impliciti quando più processi vogliono accedere allo
stesso file. Questo significa che le operazioni di lettura e scrittura vengono
sempre fatte da ogni processo in maniera indipendente, utilizzando una
posizione corrente nel file che normalmente, a meno di non trovarsi nella
situazione di fig.~\ref{fig:file_acc_child}, è locale a ciascuno di essi.

Dal punto di vista della lettura dei dati questo comporta la possibilità di
poter leggere dati non coerenti in caso di scrittura contemporanea da parte di
un altro processo. Dal punto di vista della scrittura invece si potranno avere
sovrapposizioni imprevedibili quando due processi scrivono nella stessa
sezione di file, dato che ciascuno lo farà in maniera indipendente.  Il
sistema però fornisce in alcuni casi la possibilità di eseguire alcune
operazioni di scrittura in maniera coordinata anche senza utilizzare dei
meccanismi di sincronizzazione espliciti come il \textit{file locking}, che
esamineremo in sez.~\ref{sec:file_locking}.

Un caso tipico di necessità di accesso condiviso in scrittura è quello in cui
vari processi devono scrivere alla fine di un file (ad esempio un file di
log). Come accennato in sez.~\ref{sec:file_lseek} impostare la posizione alla
fine del file con \func{lseek} e poi scrivere con \func{write} può condurre ad
una \textit{race condition}; infatti può succedere che un secondo processo
scriva alla fine del file fra la \func{lseek} e la \func{write}. In questo
caso, come abbiamo appena visto, il file sarà esteso, ma il primo processo,
avrà una posizione corrente che aveva impostato con \func{lseek} che non
corrisponde più alla fine del file, e la sua successiva \func{write}
sovrascriverà i dati del secondo processo.

Il problema deriva dal fatto che usare due \textit{system call} in successione
non è mai un'operazione atomica dato che il kernel può interrompere
l'esecuzione del processo fra le due. Nel caso specifico il problema è stato
risolto introducendo la modalità di scrittura in \textit{append}, attivabile
con il flag \const{O\_APPEND}. In questo caso infatti, come abbiamo illustrato
in sez.~\ref{sec:file_open_close}, è il kernel che aggiorna automaticamente la
posizione alla fine del file prima di effettuare la scrittura, e poi estende
il file.  Tutto questo avviene all'interno di una singola \textit{system
  call}, la \func{write}, che non essendo interrompibile da un altro processo
realizza un'operazione atomica.


\subsection{La duplicazione dei file descriptor}
\label{sec:file_dup}

Abbiamo già visto in sez.~\ref{sec:file_shared_access} come un processo figlio
condivida gli stessi file descriptor del padre; è possibile però ottenere un
comportamento analogo all'interno di uno stesso processo con la cosiddetta
\textit{duplicazione} di un file descriptor. Per far questo si usa la funzione
di sistema \funcd{dup}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int dup(int oldfd)}
\fdesc{Crea un file descriptor duplicato.} 
}

{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e $-1$ per
  un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{oldfd} non è un file aperto.
  \item[\errcode{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo consentito di file
    descriptor aperti (vedi sez.~\ref{sec:sys_resource_limit}).
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione ritorna, come \func{open}, il primo file descriptor libero. Il
file descriptor è una copia esatta del precedente ed entrambi possono essere
interscambiati nell'uso. Per capire meglio il funzionamento della funzione si
può fare riferimento a fig.~\ref{fig:file_dup}. L'effetto della funzione è
semplicemente quello di copiare il valore di un certo file descriptor in
un altro all'interno della struttura \kstruct{file\_struct}, cosicché anche
questo faccia riferimento alla stessa voce nella \textit{file table}. Per
questo motivo si dice che il nuovo file descriptor è ``\textsl{duplicato}'',
da cui il nome della funzione.

\begin{figure}[!htb]
  \centering \includegraphics[width=11cm]{img/filedup}
  \caption{Schema dell'accesso ai file duplicati}
  \label{fig:file_dup}
\end{figure}

Si noti che per quanto illustrato in fig.~\ref{fig:file_dup} i file descriptor
duplicati condivideranno eventuali lock (vedi sez.~\ref{sec:file_locking}), i
flag di stato, e la posizione corrente sul file. Se ad esempio si esegue una
\func{lseek} per modificare la posizione su uno dei due file descriptor, essa
risulterà modificata anche sull'altro, dato che quello che viene modificato è
lo stesso campo nella voce della \textit{file table} a cui entrambi fanno
riferimento.

L'unica differenza fra due file descriptor duplicati è che ciascuno avrà un
suo \textit{file descriptor flag} indipendente. A questo proposito deve essere
tenuto presente che nel caso in cui si usi \func{dup} per duplicare un file
descriptor, se questo ha il flag di \textit{close-on-exec} attivo (vedi
sez.~\ref{sec:proc_exec} e sez.~\ref{sec:file_shared_access}), questo verrà
cancellato nel file descriptor restituito come copia.

L'uso principale di questa funzione è nella shell per la redirezione dei file
standard di tab.~\ref{tab:file_std_files} fra l'esecuzione di una \func{fork}
e la successiva \func{exec}. Diventa così possibile associare un file (o una
\textit{pipe}) allo \textit{standard input} o allo \textit{standard output}
(vedremo un esempio in sez.~\ref{sec:ipc_pipe_use}, quando tratteremo le
\textit{pipe}).

Ci si può chiedere perché non sia in questo caso sufficiente chiudere il file
standard che si vuole redirigere e poi aprire direttamente con \func{open} il
file vi si vuole far corrispondere, invece di duplicare un file descriptor che
si è già aperto. La risposta sta nel fatto che il file che si vuole redirigere
non è detto sia un file regolare, ma potrebbe essere, come accennato, anche
una \textit{fifo} o un socket, oppure potrebbe essere un file associato ad un
file descriptor che si è ereditato già aperto (ad esempio attraverso una
\func{exec}) da un processo antenato del padre, del quale non si conosce il
nome. Operando direttamente con i file descriptor \func{dup} consente di
ignorare le origini del file descriptor che si duplica e funziona in maniera
generica indipendentemente dall'oggetto a cui questo fa riferimento.

Per ottenere la redirezione occorre pertanto disporre del file descriptor
associato al file che si vuole usare e chiudere il file descriptor che si
vuole sostituire, cosicché esso possa esser restituito alla successiva
chiamata di \func{dup} come primo file descriptor disponibile.  Dato che
questa è l'operazione più comune, è prevista un'altra funzione di sistema,
\funcd{dup2}, che permette di specificare esplicitamente qual è il numero di
file descriptor che si vuole ottenere come duplicato; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int dup2(int oldfd, int newfd)}
\fdesc{Duplica un file descriptor su un altro.} 
}

{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e $-1$ per
  un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{oldfd} non è un file aperto o \param{newfd} ha
    un valore fuori dall'intervallo consentito per i file descriptor.
  \item[\errcode{EBUSY}] si è rilevata la possibilità di una \textit{race
      condition}.
  \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
  \item[\errcode{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo consentito di file
    descriptor aperti.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione duplica il file descriptor \param{oldfd} su un altro file
descriptor di valore \param{newfd}. Qualora il file descriptor \param{newfd}
sia già aperto, come avviene ad esempio nel caso della duplicazione di uno dei
file standard di tab.~\ref{tab:file_std_files}, esso sarà prima chiuso e poi
duplicato. Se \param{newfd} è uguale a \param{oldfd} la funzione non fa nulla
e si limita a restituire \param{newfd}.

L'uso di \func{dup2} ha vari vantaggi rispetto alla combinazione di
\func{close} e \func{dup}; anzitutto se \param{oldfd} è uguale \param{newfd}
questo verrebbe chiuso e \func{dup} fallirebbe, ma soprattutto l'operazione è
atomica e consente di evitare una \textit{race condition} in cui dopo la
chiusura del file si potrebbe avere la ricezione di un segnale il cui gestore
(vedi sez.~\ref{sec:sig_signal_handler}) potrebbe a sua volta aprire un file,
per cui alla fine \func{dup} restituirebbe un file descriptor diverso da
quello voluto.

Con Linux inoltre la funzione prevede la possibilità di restituire l'errore
\errcode{EBUSY}, che non è previsto dallo standard, quando viene rilevata la
possibilità di una \textit{race condition} interna in cui si cerca di
duplicare un file descriptor che è stato allocato ma per il quale non sono
state completate le operazioni di apertura.\footnote{la condizione è
  abbastanza peculiare e non attinente al tipo di utilizzo indicato, quanto
  piuttosto ad un eventuale tentativo di duplicare file descriptor non ancora
  aperti, la condizione di errore non è prevista dallo standard, ma in
  condizioni simili FreeBSD risponde con un errore di \errval{EBADF}, mentre
  OpenBSD elimina la possibilità di una \textit{race condition} al costo di
  una perdita di prestazioni.} In tal caso occorre ritentare l'operazione.

La duplicazione dei file descriptor può essere effettuata anche usando la
funzione di controllo dei file \func{fcntl} (che esamineremo in
sez.~\ref{sec:file_fcntl_ioctl}) con il parametro \const{F\_DUPFD}.
L'operazione ha la sintassi \code{fcntl(oldfd, F\_DUPFD, newfd)} e se si usa 0
come valore per \param{newfd} diventa equivalente a \func{dup}.  La sola
differenza fra le due funzioni (a parte la sintassi ed i diversi codici di
errore) è che \func{dup2} chiude il file descriptor \param{newfd} se questo è
già aperto, garantendo che la duplicazione sia effettuata esattamente su di
esso, invece \func{fcntl} restituisce il primo file descriptor libero di
valore uguale o maggiore di \param{newfd}, per cui se \param{newfd} è aperto
la duplicazione avverrà su un altro file descriptor.

Su Linux inoltre è presente una terza funzione di sistema non
standard,\footnote{la funzione è stata introdotta con il kernel 2.6.27 e resa
  disponibile con la \acr{glibc} 2.9.} \funcd{dup3}, che consente di duplicare
un file descriptor reimpostandone i flag, per usarla occorre definire la macro
\macro{\_GNU\_SOURCE} ed il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int dup3(int oldfd, int newfd, int flags)}
\fdesc{Duplica un file descriptor su un altro.} 
}

{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e $-1$ per
  un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà gli stessi valori di
  \func{dup2} più \errcode{EINVAL} qualora \param{flags} contenga un valore
  non valido o \param{newfd} sia uguale a \param{oldfd}.
}  
\end{funcproto}

La funzione è identica a \func{dup2} ma prevede la possibilità di mantenere il
flag di \textit{close-on-exec} sul nuovo file descriptor specificando
\const{O\_CLOEXEC} in \param{flags} (che è l'unico flag usabile in questo
caso). Inoltre rileva esplicitamente la possibile coincidenza
fra \param{newfd} e \param{oldfd}, fallendo con un errore di \errval{EINVAL}.


\subsection{Le funzioni di sincronizzazione dei dati}
\label{sec:file_sync}

Come accennato in sez.~\ref{sec:file_open_close} tutte le operazioni di
scrittura sono in genere bufferizzate dal kernel, che provvede ad effettuarle
in maniera asincrona per ottimizzarle, ad esempio accorpando gli accessi alla
stessa zona del disco in un secondo tempo rispetto al momento della esecuzione
della \func{write}.

Per questo motivo quando è necessaria una sincronizzazione immediata dei dati
il sistema mette a disposizione delle funzioni che provvedono a forzare lo
scarico dei dati dai buffer del kernel.  La prima di queste funzioni di
sistema è \funcd{sync}, il cui prototipo è:\footnote{questo è il prototipo
  usato a partire dalla \acr{glibc} 2.2.2 seguendo gli standard, in precedenza
  la funzione era definita come \code{int sync(void)} e ritornava sempre $0$.}

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{void sync(void)}
\fdesc{Sincronizza il buffer della cache dei file col disco.} 
}

{La funzione non ritorna nulla e non prevede condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

I vari standard prevedono che la funzione si limiti a far partire le
operazioni ritornando immediatamente, con Linux invece, fin dal kernel 1.3.20,
la funzione aspetta la conclusione delle operazioni di sincronizzazione. Si
tenga presente comunque che questo non dà la garanzia assoluta che i dati
siano integri dopo la chiamata, l'hardware dei dischi è in genere dotato di un
suo meccanismo interno di bufferizzazione che a sua volta può ritardare
ulteriormente la scrittura effettiva.

La funzione viene usata dal comando \cmd{sync} quando si vuole forzare
esplicitamente lo scarico dei dati su disco, un tempo era invocata da un
apposito demone di sistema (in genere chiamato \cmd{update}) che eseguiva lo
scarico dei dati ad intervalli di tempo fissi.  Con le nuove versioni del
kernel queste operazioni vengono gestite direttamente dal sistema della
memoria virtuale, attraverso opportuni \textit{task} interni al kernel. Nei
kernel recenti questo comportamento può essere controllato con l'uso dei vari
file \texttt{dirty\_*} in \sysctlfiled{vm/}.\footnote{si consulti la
  documentazione allegata ai sorgenti del kernel nel file
  \file{Documentation/sysctl/vm.txt}, trattandosi di argomenti di natura
  sistemistica non li prenderemo in esame.}

Si tenga presente che la funzione di sistema \funcm{bdflush}, che un tempo
veniva usata per controllare lo scaricamento dei dati, è deprecata a partire
dal kernel 2.6 e causa semplicemente la stampa di un messaggio nei log del
kernel, e non è più presente dalle \acr{glibc} 2.23, pertanto non la
prenderemo in esame.

Quando si vogliano scaricare i dati di un singolo file, ad esempio essere
sicuri che i dati di un database siano stati registrati su disco, si possono
usare le due funzioni di sistema \funcd{fsync} e \funcd{fdatasync}, i cui
prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int fsync(int fd)}
\fdesc{Sincronizza dati e metadati di un file.} 
\fdecl{int fdatasync(int fd)}
\fdesc{Sincronizza i dati di un file.} 
}

{Le funzioni ritornano $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EDQUOT}] si è superata un quota disco durante la
    sincronizzazione.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è un file speciale che non supporta la
    sincronizzazione (talvolta anche \errval{EROFS}).
  \item[\errcode{EIO}] c'è stato un errore di I/O durante la sincronizzazione,
    che in questo caso può derivare anche da scritture sullo stesso file
    eseguite su altri file descriptor.
  \item[\errcode{ENOSPC}] si è esaurito lo spazio disco durante la
    sincronizzazione.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF} nel suo significato generico.}
\end{funcproto}

Entrambe le funzioni forzano la sincronizzazione col disco di tutti i dati del
file specificato, ed attendono fino alla conclusione delle operazioni. La
prima, \func{fsync} forza anche la sincronizzazione dei meta-dati del file,
che riguardano sia le modifiche alle tabelle di allocazione dei settori, che
gli altri dati contenuti nell'\textit{inode} che si leggono con \func{fstat},
come i tempi del file. Se lo scopo dell'operazione, come avviene spesso per i
database, è assicurarsi che i dati raggiungano il disco e siano rileggibili
immediatamente in maniera corretta, è sufficiente l'uso di \func{fdatasync}
che evita le scritture non necessarie per avere l'integrità dei dati, come
l'aggiornamento dei tempi di ultima modifica ed ultimo accesso.

Si tenga presente che l'uso di queste funzioni non comporta la
sincronizzazione della directory che contiene il file e la scrittura della
relativa voce su disco, che se necessaria deve essere effettuata
esplicitamente con \func{fsync} sul file descriptor della
directory.\footnote{in realtà per il filesystem \acr{ext2}, quando lo si monta
  con l'opzione \cmd{sync}, il kernel provvede anche alla sincronizzazione
  automatica delle voci delle directory.}

La funzione può restituire anche \errval{ENOSPC} e \errval{EDQUOT} per quei
casi in cui l'allocazione dello spazio disco non viene effettuata
all'esecuzione di una \func{write} (come NFS o altri filesystem di rete) per
cui l'errore viene rilevato quando la scrittura viene effettivamente
eseguita.

L'uso di \func{sync} può causare, quando ci sono più filesystem montati,
problemi di prestazioni dovuti al fatto che effettua la sincronizzazione dei
dati su tutti i filesystem, anche quando sarebbe sufficiente eseguirla
soltanto su quello dei file su cui si sta lavorando; quando i dati in attesa
sono molti questo può causare una alta attività di I/O ed i relativi problemi
di prestazioni.

Per questo motivo è stata introdotta una nuova funzione di sistema,
\funcd{syncfs},\footnote{la funzione è stata introdotta a partire dal kernel
  2.6.39 ed è accessibile solo se è definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}, è
  specifica di Linux e non prevista da nessuno standard.} che effettua lo
scarico dei dati soltanto per il filesystem su cui si sta operando, il suo
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int syncfs(int fd)}
\fdesc{Sincronizza il buffer della cache dei file del singolo filesystem col
  disco.}
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
    \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un descrittore valido.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione richiede che si specifichi nell'argomento \param{fd} un file
descriptor su cui si sta operando, e la registrazione immediata dei dati sarà
limitata al filesystem su cui il file ad esso corrispondente si trova.



\subsection{Le \textit{at-functions}: \func{openat} e le altre}
\label{sec:file_openat}

\itindbeg{at-functions}

Un problema generico che si pone con l'uso della funzione \func{open}, così
come con le altre funzioni che prendono come argomenti dei \textit{pathname},
è la possibilità, quando si usa un \textit{pathname} che non fa riferimento
diretto ad un file posto nella directory di lavoro corrente, che alcuni dei
componenti dello stesso vengano modificati in parallelo alla chiamata a
\func{open}, cosa che lascia aperta la possibilità di una \textit{race
  condition} in cui c'è spazio per un \textit{symlink attack} (si ricordi
quanto visto per \func{access} in sez.~\ref{sec:file_perm_management})
cambiando una delle directory sovrastanti il file fra un controllo e la
successiva apertura. 

Inoltre, come già accennato, la directory di lavoro corrente è una proprietà
associata al singolo processo; questo significa che quando si lavora con i
\textit{thread} questa è la stessa per tutti, per cui se la si cambia
all'interno di un \textit{thread} il cambiamento varrà anche per tutti gli
altri. Non esiste quindi con le funzioni classiche un modo semplice per far sì
che i singoli \textit{thread} possano aprire file usando una propria directory
per risolvere i \textit{pathname} relativi.

Per risolvere questi problemi, riprendendo una interfaccia già presente in
Solaris, a fianco delle normali funzioni che operano sui file (come
\func{open}, \func{mkdir}, ecc.) sono state introdotte delle ulteriori
funzioni di sistema, chiamate genericamente ``\textit{at-functions}'' in
quanto usualmente contraddistinte dal suffisso \texttt{at}, che permettono
l'apertura di un file (o le rispettive altre operazioni) usando un
\textit{pathname} relativo ad una directory
specificata.\footnote{l'introduzione è avvenuta su proposta dello sviluppatore
  principale della \acr{glibc} Urlich Drepper e le corrispondenti
  \textit{system call} sono state inserite nel kernel a partire dalla versione
  2.6.16, in precedenza era disponibile una emulazione che, sia pure con
  prestazioni inferiori, funzionava facendo ricorso all'uso del filesystem
  \textit{proc} con l'apertura del file attraverso il riferimento a
  \textit{pathname} del tipo di \texttt{/proc/self/fd/dirfd/relative\_path}.}
Essendo accomunate dalla stessa interfaccia le tratteremo insieme in questa
sezione pur non essendo strettamente attinenti l'I/O su file.

Benché queste funzioni non siano presenti negli standard tradizionali esse
sono state adottate da altri sistemi unix-like come Solaris, i vari BSD, fino
ad essere incluse in una recente revisione dello standard POSIX.1 (la
POSIX.1-2008). Con la \acr{glibc} per l'accesso a queste funzioni è necessario
definire la macro \macro{\_ATFILE\_SOURCE} (comunque attiva di default).

L'uso di queste funzioni richiede una apertura preliminare della directory che
si intende usare come base per la risoluzione dei \textit{pathname} relativi
(ad esempio usando \func{open} con il flag \const{O\_PATH} visto in
sez.~\ref{sec:file_open_close}) per ottenere un file descriptor che dovrà
essere passato alle stesse.  Tutte queste funzioni infatti prevedono la
presenza un apposito argomento, in genere il primo che negli esempi seguenti
chiameremo sempre \param{dirfd}, per indicare la directory di partenza.

In questo modo, una volta aperta la directory di partenza, si potranno
effettuare controlli ed aperture solo con \textit{pathname} relativi alla
stessa, e tutte le \textit{race condition} dovute al possibile cambiamento di
uno dei componenti posti al di sopra della stessa cesseranno di esistere.
Inoltre, pur restando la directory di lavoro una proprietà comune del
processo, si potranno usare queste funzioni quando si lavora con i
\textit{thread} per eseguire la risoluzione dei \textit{pathname} relativi ed
avere una directory di partenza diversa in ciascuno di essi.

Questo metodo consente inoltre di ottenere aumenti di prestazioni
significativi quando si devono eseguire molte operazioni su sezioni
dell'albero dei file che prevedono delle gerarchie di sottodirectory molto
profonde. Infatti in questo caso basta eseguire la risoluzione del
\textit{pathname} di una qualunque directory di partenza una sola volta
(nell'apertura iniziale) e non tutte le volte che si deve accedere a ciascun
file che essa contiene. Infine poter identificare una directory di partenza
tramite il suo file descriptor consente di avere un riferimento stabile alla
stessa anche qualora venisse rinominata, e tiene occupato il filesystem dove
si trova come per la directory di lavoro di un processo.

La sintassi generica di queste nuove funzioni prevede l'utilizzo come primo
argomento del file descriptor della directory da usare come base per la
risoluzione dei nomi, mentre gli argomenti successivi restano identici a
quelli della corrispondente funzione ordinaria. Come esempio prendiamo in
esame la nuova funzione di sistema \funcd{openat}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags)}
\fdecl{int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
\fdesc{Apre un file a partire da una directory di lavoro.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{open}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
   \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

Il comportamento di \func{openat} è del tutto analogo a quello di \func{open},
con la sola eccezione del fatto che se per l'argomento \param{pathname} si
utilizza un \textit{pathname} relativo questo sarà risolto rispetto alla
directory indicata da \param{dirfd}; qualora invece si usi un
\textit{pathname} assoluto \param{dirfd} verrà semplicemente ignorato. Infine
se per \param{dirfd} si usa il valore speciale \constd{AT\_FDCWD} la
risoluzione sarà effettuata rispetto alla directory di lavoro corrente del
processo. Questa, come le altre costanti \texttt{AT\_*}, è definita in
\headfile{fcntl.h}, per cui per usarla occorrerà includere comunque questo
file, anche per le funzioni che non sono definite in esso.

Così come il comportamento, anche i valori di ritorno e le condizioni di
errore delle nuove funzioni sono gli stessi delle funzioni classiche, agli
errori si aggiungono però quelli dovuti a valori errati per \param{dirfd}; in
particolare si avrà un errore di \errcode{EBADF} se esso non è un file
descriptor valido, ed un errore di \errcode{ENOTDIR} se esso non fa
riferimento ad una directory, tranne il caso in cui si sia specificato un
\textit{pathname} assoluto, nel qual caso, come detto, il valore di
\param{dirfd} sarà completamente ignorato.

% TODO: trattare openat2, introdotta con il kernel 5.6, vedi
% https://lwn.net/Articles/796868/ e https://git.kernel.org/linus/b55eef872a96

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|c|l|}
    \hline
    \textbf{Funzione} &\textbf{Flags} &\textbf{Corrispondente} \\
    \hline
    \hline
     \func{execveat}  &$\bullet$&\func{execve}  \\
     \func{faccessat} &$\bullet$&\func{access}  \\
     \func{fchmodat}  &$\bullet$&\func{chmod}   \\
     \func{fchownat}  &$\bullet$&\func{chown},\func{lchown}\\
     \func{fstatat}   &$\bullet$&\func{stat},\func{lstat}  \\
     \funcm{futimesat}& --      & obsoleta  \\
     \func{linkat}    &$\bullet$&\func{link}    \\
     \funcm{mkdirat}  & --      &\func{mkdir}   \\
     \funcm{mkfifoat} & --      &\func{mkfifo}  \\
     \funcm{mknodat}  & --      &\func{mknod}   \\
     \func{openat}    & --      &\func{open}    \\
     \funcm{readlinkat}& --     &\func{readlink}\\
     \func{renameat}  & --      &\func{rename}  \\
     \func{renameat2}\footnotemark& -- &\func{rename}  \\
     \funcm{scandirat}& --      &\func{scandir}  \\
     \func{statx}     &$\bullet$&\func{stat}  \\
     \funcm{symlinkat}& --      &\func{symlink} \\
     \func{unlinkat}  &$\bullet$&\func{unlink},\func{rmdir}  \\
     \func{utimensat} &$\bullet$&\func{utimes},\func{lutimes}\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Corrispondenze fra le nuove funzioni ``\textit{at}'' e le
    corrispettive funzioni classiche.}
  \label{tab:file_atfunc_corr}
\end{table}

\footnotetext{anche se la funzione ha un argomento \param{flags} questo
  attiene a funzionalità specifiche della stessa e non all'uso generico fatto
  nelle altre \textit{at-functions}, pertanto lo si è indicato come assente.}

In tab.~\ref{tab:file_atfunc_corr} si sono riportate le funzioni introdotte
con questa nuova interfaccia, con a fianco la corrispondente funzione
classica. Tutte seguono la convenzione appena vista per \func{openat}, in cui
agli argomenti della funzione classica viene anteposto l'argomento
\param{dirfd}. Per alcune, indicate dal contenuto della omonima colonna di
tab.~\ref{tab:file_atfunc_corr}, oltre al nuovo argomento iniziale, è prevista
anche l'aggiunta di un argomento finale, \param{flags}, che è stato introdotto
per fornire un meccanismo con cui modificarne il comportamento.

Per tutte quelle che non hanno un argomento aggiuntivo il comportamento è
identico alla corrispondente funzione ordinaria, pertanto non le tratteremo
esplicitamente, vale per loro quanto detto con \func{openat} per l'uso del
nuovo argomento \param{dirfd}. Tratteremo invece esplicitamente tutte quelle
per cui l'argomento è presente, in quanto il loro comportamento viene
modificato a seconda del valore assegnato a \param{flags}; questo deve essere
passato come maschera binaria con una opportuna combinazione delle costanti
elencate in tab.~\ref{tab:at-functions_constant_values}, in quanto sono
possibili diversi valori a seconda della funzione usata.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{AT\_EMPTY\_PATH}    & Usato per operare direttamente (specificando
                                  una stringa vuota  per il \texttt{pathname})
                                  sul file descriptor \param{dirfd} che in
                                  questo caso può essere un file qualunque.\\
    \constd{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}& Se impostato la funzione non esegue la
                                    dereferenziazione dei collegamenti
                                    simbolici.\\
    \hline
    \constd{AT\_EACCES}         & Usato solo da \func{faccessat}, richiede che
                                  il controllo dei permessi sia fatto usando
                                  l'\ids{UID} effettivo invece di quello
                                  reale.\\
    \constd{AT\_NO\_AUTOMOUNT}  & Usato solo da \func{fstatat} e \func{statx},
                                  evita il montaggio automatico qualora 
                                  \param{pathname} faccia riferimento ad una
                                  directory marcata per
                                  l'\textit{automount}\footnotemark
                                  (dal kernel 2.6.38).\\
    \constd{AT\_REMOVEDIR}      & Usato solo da \func{unlinkat}, richiede che
                                  la funzione si comporti come \func{rmdir}
                                  invece che come \func{unlink}.\\
    \constd{AT\_SYMLINK\_FOLLOW}& Usato solo da \func{linkat}, se impostato la
                                  funzione esegue la dereferenziazione dei
                                  collegamenti simbolici.\\
    \hline
  \end{tabular}  
  \caption{Le costanti utilizzate per i bit dell'argomento aggiuntivo
    \param{flags} delle \textit{at-functions}, definite in
    \headfile{fcntl.h}.}
  \label{tab:at-functions_constant_values}
\end{table}

\footnotetext{l'\textit{automount} \itindex{automount} è una funzionalità
  fornita dal kernel che consente di montare automaticamente una directory
  quando si accede ad un \textit{pathname} al di sotto di essa, per i
  dettagli, di natura prevalentemente sistemistica, si può consultare
  sez.~5.1.6 di \cite{AGL}.}

Si tenga presente che non tutte le funzioni che prevedono l'argomento
aggiuntivo sono \textit{system call}, ad esempio \func{faccessat} e
\func{fchmodat} sono realizzate con dei \textit{wrapper} nella \acr{glibc} per
aderenza allo standard POSIX.1-2008, dato che la \textit{system call}
sottostante non prevede l'argomento \param{flags}. 

In tab.~\ref{tab:at-functions_constant_values} si sono elencati i valori
utilizzabili per i flag (tranne quelli specifici di \func{statx} su cui
torneremo più avanti), mantenendo nella prima parte quelli comuni usati da più
funzioni. Il primo di questi è \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}, che viene usato
da tutte le funzioni tranne \func{linkat} e \func{unlinkat}, e che consente di
scegliere, quando si sta operando su un collegamento simbolico, se far agire
la funzione direttamente sullo stesso o sul file da esso referenziato. Si
tenga presente però che per \funcm{fchmodat} questo, che è l'unico flag
consentito e previsto dallo standard, non è attualmente implementato (anche
perché non avrebbe molto senso cambiare i permessi di un link simbolico) e
pertanto l'uso della funzione è analogo a quello delle altre funzioni che non
hanno l'argomento \param{flags} (e non la tratteremo esplicitamente).

% TODO: documentare l'introduzione di fchmodat4() se e quando ci sarà, vedi
% https://lwn.net/Articles/792628/ 

L'altro flag comune è \const{AT\_EMPTY\_PATH}, utilizzabile a partire dal
kernel 2.6.39, che consente di usare per \param{dirfd} un file descriptor
associato ad un file qualunque e non necessariamente ad una directory; in
particolare si può usare un file descriptor ottenuto aprendo un file con il
flag \param{O\_PATH} (vedi quanto illustrato a
pag.~\pageref{open_o_path_flag}). Quando si usa questo flag \param{pathname}
deve essere vuoto, da cui il nome della costante, ed in tal caso la funzione
agirà direttamente sul file associato al file descriptor \param{dirfd}.

Una prima funzione di sistema che utilizza l'argomento \param{flag} è
\funcd{fchownat}, che può essere usata per sostituire sia \func{chown} che
\func{lchown}; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h} 
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int fchownat(int dirfd, const char *pathname, uid\_t owner, gid\_t
    group, int flags)}
\fdesc{Modifica il proprietario di un file.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{chown}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

In questo caso, oltre a quanto già detto per \func{openat} riguardo all'uso di
\param{dirfd}, se si è impostato \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW} in
\param{flags}, si indica alla funzione di non eseguire la dereferenziazione di
un eventuale collegamento simbolico, facendo comportare \func{fchownat} come
\func{lchown} invece che come \func{chown}. La funzione supporta anche l'uso
di \const{AT\_EMPTY\_PATH}, con il significato illustrato in precedenza e non
ha flag specifici.

Una seconda funzione di sistema che utilizza l'argomento \param{flags}, in
questo caso anche per modificare il suo comportamento, è \funcd{faccessat}, ed
il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h} 
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int faccessat(int dirfd, const char *path, int mode, int flags)}
\fdesc{Controlla i permessi di accesso.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{access}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione esegue il controllo di accesso ad un file, e \param{flags}
consente di modificarne il comportamento rispetto a quello ordinario di
\func{access} (cui è analoga e con cui condivide i problemi di sicurezza
visti in sez.~\ref{sec:file_stat}) usando il valore \const{AT\_EACCES} per
indicare alla funzione di eseguire il controllo dei permessi con l'\ids{UID}
\textsl{effettivo} invece di quello \textsl{reale}. L'unico altro valore
consentito è \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}, con il significato già spiegato.

Un utilizzo specifico dell'argomento \param{flags} viene fatto anche dalla
funzione di sistema \funcd{unlinkat}, in questo caso l'argomento viene
utilizzato perché tramite esso si può indicare alla funzione di comportarsi
sia come analogo di \func{unlink} che di \func{rmdir}; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int unlinkat(int dirfd, const char *pathname, int flags)}
\fdesc{Rimuove una voce da una directory.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{unlink} o di \func{rmdir} a seconda del valore di \param{flags}, ed in
  più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

Di default il comportamento di \func{unlinkat} è equivalente a quello che
avrebbe \func{unlink} applicata a \param{pathname}, fallendo in tutti i casi
in cui questo è una directory, se però si imposta \param{flags} al valore di
\const{AT\_REMOVEDIR}, essa si comporterà come \func{rmdir}, in tal caso
\param{pathname} deve essere una directory, che sarà rimossa qualora risulti
vuota.  Non essendo in questo caso prevista la possibilità di usare altri
valori (la funzione non segue comunque i collegamenti simbolici e
\const{AT\_EMPTY\_PATH} non è supportato) anche se \param{flags} è una
maschera binaria, essendo \const{AT\_REMOVEDIR} l'unico flag disponibile per
questa funzione, lo si può assegnare direttamente.

Un'altra funzione di sistema che usa l'argomento \param{flags} è
\func{utimensat}, che però non è una corrispondente esatta delle funzioni
classiche \func{utimes} e \func{lutimes}, in quanto ha una maggiore precisione
nella indicazione dei tempi dei file, per i quali, come per \func{futimens},
si devono usare strutture \struct{timespec} che consentono una precisione fino
al nanosecondo; la funzione è stata introdotta con il kernel
2.6.22,\footnote{in precedenza, a partire dal kernel 2.6.16, era stata
  introdotta una \textit{system call} \funcm{futimesat} seguendo una bozza
  della revisione dello standard poi modificata; questa funzione, sostituita
  da \func{utimensat}, è stata dichiarata obsoleta, non è supportata da
  nessuno standard e non deve essere più utilizzata: pertanto non ne
  parleremo.} ed il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fhead{sys/stat.h}
\fdecl{int utimensat(int dirfd, const char *pathname, const struct
    timespec times[2],\\
\phantom{int utimensat(}int flags)}
\fdesc{Cambia i tempi di un file.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà i valori di \func{utimes}, \func{lutimes} e
  \func{futimens} con lo stesso significato ed inoltre:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è \const{AT\_FDCWD} o un file
    descriptor valido.
  \item[\errcode{EFAULT}] \param{dirfd} è \const{AT\_FDCWD} ma
    \param{pathname} è \var{NULL} o non è un puntatore valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] si usato un valore non valido per \param{flags},
    oppure \param{pathname} è \var{NULL}, \param{dirfd} non è
    \const{AT\_FDCWD} e \param{flags} contiene \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}.
  \item[\errcode{ESRCH}] non c'è il permesso di attraversamento per una delle
    componenti di \param{pathname}.
  \end{errlist}
}
\end{funcproto}

La funzione imposta i tempi dei file utilizzando i valori passati nel vettore
di strutture \struct{timespec} ed ha in questo lo stesso comportamento di
\func{futimens}, vista in sez.~\ref{sec:file_file_times}, ma al contrario di
questa può essere applicata anche direttamente ad un file come \func{utimes};
l'unico valore consentito per \param{flags} è \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}
che indica alla funzione di non dereferenziare i collegamenti simbolici, cosa
che le permette di riprodurre anche le funzionalità di \func{lutimes} (con una
precisione dei tempi maggiore).

Su Linux solo \func{utimensat} è una \textit{system call} mentre
\func{futimens} è una funzione di libreria, infatti \func{utimensat} ha un
comportamento speciale se \param{pathname} è \var{NULL}, in tal caso
\param{dirfd} viene considerato un file descriptor ordinario e il cambiamento
del tempo viene applicato al file sottostante, qualunque esso sia. Viene cioè
sempre usato il comportamento che per altre funzioni deve essere attivato con
\const{AT\_EMPTY\_PATH} (che non è previsto per questa funzione) per cui
\code{futimens(fd, times}) è del tutto equivalente a \code{utimensat(fd, NULL,
  times, 0)}. Si tenga presente che nella \acr{glibc} questo comportamento è
disabilitato, e la funzione, seguendo lo standard POSIX, ritorna un errore di
\errval{EINVAL} se invocata in questo modo.

Come corrispondente di \func{stat}, \func{fstat} e \func{lstat} si può
utilizzare invece la funzione di sistema \funcd{fstatat}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fhead{sys/stat.h}
\fdecl{int fstatat(int dirfd, const char *pathname, struct stat *statbuf, int
  flags)} 
\fdesc{Legge le informazioni di un file.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{stat}, \func{fstat}, o \func{lstat} a seconda del valore di
  \param{flags}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione ha lo stesso comportamento delle sue equivalenti classiche, l'uso
di \param{flags} consente di farla comportare come \func{lstat} se si usa
\const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}, o come \func{fstat} se si usa con
\const{AT\_EMPTY\_PATH} e si passa il file descriptor in \param{dirfd}. Viene
però supportato l'ulteriore valore \const{AT\_NO\_AUTOMOUNT} che qualora
\param{pathname} faccia riferimento ad una directory marcata per
l'\textit{automount} ne evita il montaggio automatico.
            
Ancora diverso è il caso di \funcd{linkat} anche se in questo caso l'utilizzo
continua ad essere attinente al comportamento con i collegamenti simbolici, il
suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int linkat(int olddirfd, const char *oldpath, int newdirfd, \\
\phantom{int linkat(}const char *newpath, int flags)}
\fdesc{Crea un nuovo collegamento diretto (\textit{hard link}).} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{link}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{olddirfd} o \param{newdirfd} non sono un file
    descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
  \item[\errcode{ENOENT}] \param{oldpath} o \param{newpath} è un
    \textit{pathname} relativo, ma la corrispondente directory di partenza
    (\param{olddirfd} o \param{newdirfd}) è stata cancellata, oppure si è
    cercato di creare un \textit{link} da un file descriptor aperto con
    \const{O\_TMPFILE} e \const{O\_EXCL}, oppure si è usato
    \const{AT\_EMPTY\_PATH} senza privilegi amministrativi. 
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{oldpath} e \param{newpath} sono
    \textit{pathname} relativi, ma \param{olddirfd} o \param{newdirfd} fa
    riferimento ad un file.
  \item[\errcode{EPERM}] si è usato \const{AT\_EMPTY\_PATH} con
    \param{oldpath} vuoto e \param{olddirfd} che fa riferimento ad una
    directory.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

Anche in questo caso la funzione svolge lo stesso compito della
corrispondente classica \func{link}, ma dovendo specificare due
\textit{pathname} (sorgente e destinazione) aggiunge a ciascuno di essi un
argomento (rispettivamente \param{olddirfd} e \param{newdirfd}) per poter
indicare entrambi come relativi a due directory aperte in precedenza.

In questo caso, dato che su Linux il comportamento di \func{link} è quello di
non seguire mai i collegamenti simbolici, \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW} non
viene utilizzato. A partire dal kernel 2.6.18 è stato aggiunto a questa
funzione la possibilità di usare il valore \const{AT\_SYMLINK\_FOLLOW} per
l'argomento \param{flags},\footnote{nei kernel precedenti, dall'introduzione
  nel 2.6.16, l'argomento \param{flags} era presente, ma senza alcun valore
  valido, e doveva essere passato sempre con valore nullo.}  che richiede di
dereferenziare un eventuale collegamento simbolico creando un \textit{hard
  link} al file puntato da quest'ultimo.

Inoltre a partire dal kernel 3.11 si può usare \const{AT\_EMPTY\_PATH} con lo
stesso significato già visto in precedenza applicato ad \param{olddirfd}, si
può cioè creare un nuovo \textit{hard link} al file associato al file
descriptor \param{olddirfd}, passando un valore nullo per
\param{oldpath}. Questa operazione però è privilegiata e richiede i privilegi
di amministratore (la \textit{capability} \const{CAP\_DAC\_READ\_SEARCH}),
infatti in questo modo la funzione si comporta come una ipotetica
\texttt{flink}, una \textit{system call} di cui è stato spesso chiesta la
creazione, che permetterebbe di associare direttamente un nome ad un file
descriptor, ma che non è mai stata realizzata per problemi di sicurezza.

Il problema infatti è che le verifiche di accesso sono fatte quando il file
viene aperto e non attengono solo ai permessi del file stesso, ma anche a
quelli delle directory del suo \textit{pathname}; se una volta aperto venisse
collegato in un altra directory eventuali restrizioni imposte sulle directory
del suo \textit{pathname} andrebbero perse. Inoltre sarebbe possibile accedere
al file sottostante anche in scrittura per un file descriptor che è stato
fornito come aperto in sola lettura, o con accesso libero per un file
descriptor fornito aperto in \textit{append}. Infine e la funzione
consentirebbe rendere accessibile all'interno di un \textit{choot} (vedi
sez.~\ref{sec:file_chroot}) un qualunque file sia stato aperto fuori dallo
stesso prima di entrarvi.

% NOTE per la discussione sui problemi di sicurezza relativi a questa
% funzionalità vedi http://lwn.net/Articles/562488/

Per questo motivo l'uso di \const{AT\_EMPTY\_PATH} richiede comunque privilegi
amministrativi, anche se, quando è disponibile il filesystem \texttt{/proc}, è
possibile usare \func{linkat} per creare un file da un qualunque file
descriptor un processo abbia aperto, usandola con un codice analogo al
seguente:\footnote{non esiste al momento, se si sta usando il filesystem
  \textit{proc}, una modalità per evitare i rischi illustrati in precedenza.}
\includecodesnip{listati/procfd_linkat.c}
e questa modalità è anche quella con cui è possibile assegnare in un secondo
tempo il nome ad un file anonimo creato usando \func{open} con
\const{O\_TMPFILE}; ma si deve tenere presente che per questi file la funzione
ha un comportamento particolare.

In generale infatti quando il file sorgente di \func{linkat} ha un numero di
collegamenti nulli (cosa che avviene ad esempio quando si apre un file
temporaneo e lo si cancella subito dopo oppure quando viene cancellato un file
aperto in precedenza) la funzione non consente di ricollegarlo ad un altro
file riassegnandogli un nuovo nome e fallisce sempre con un errore di
\errval{ENOENT} qualunque siano i permessi del processo, e che si usi questo
approccio o \const{AT\_EMPTY\_PATH}.  Ma questo non avviene se il file
descriptor è stato ottenuto con \const{O\_TMPFILE}, in tal caso la funzione ha
successo, a meno che non si sia usato nell'apertura anche \const{O\_EXCL} per
impedire questo comportamento, e continuare ad ottenere \errval{ENOENT}.

In fig.~\ref{fig:initfile} si è riportato il codice della funzione
\func{InitFile}, che consente di creare in maniera sicura il contenuto
iniziale di un file utilizzando \const{O\_TMPFILE} e \func{linkat}, come
accennato a pag.~\pageref{open_o_tmpfile_flag}. La funzione richiede di
indicare il file da creare usando la sintassi delle \textit{at-functions},
specificando la directory in cui crearlo con il corrispondente file descriptor
passato nell'argomento \texttt{dirfd} ed il pathname relativo ed essa passato
l'argomento \texttt{file}; il contenuto iniziale del file deve essere fornito
nel buffer \texttt{buf} di lunghezza \texttt{size}.
 
\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/InitFile.c}
  \end{minipage}
  \caption{Esempio di codice per creare in maniera sicura il contenuto
    iniziale di un file.}
  \label{fig:initfile}
\end{figure}

La funzione come primo passo (\texttt{\small 6--10}) ottiene un file
descriptor accessibile in lettura/scrittura invocando \func{openat} con il
flag \const{O\_TMPFILE} per ottenere un file anonimo, facendo riferimento a
quella che sarà la directory di destinazione in cui poi verrà collegato lo
stesso passata dal chiamante in \texttt{dirfd}, usando ``\texttt{.}'' come
\textit{pathname} relativo. Si noti come nella chiamata si impostino anche
(per semplicità si è usato un valore fisso) i valori iniziali dei permessi del
file (lettura e scrittura solo per il proprietario), e come dopo la chiamata
si controlli la presenza di un eventuale errore, ritornandolo con un messaggio
qualora avvenga.

Il secondo passo (\texttt{\small 11--15}) è quello di chiamare la funzione
\func{FullWrite} (che tratteremo in dettaglio in sez.~\ref{sec:sock_io_behav})
per eseguire la scrittura del contenuto del buffer \texttt{buf} sul file
anonimo ottenuto con \func{openat}; in sostanza la funzione scrive tutto il
contenuto del buffer, iterando le scritture qualora non sia possibile eseguire
tutto con una singola \func{write}, cosa che comunque per i file su disco in
genere non avviene mai.

Una volta completata con successo la scrittura l'ultimo passo (\texttt{\small
  17--23}) è collegare il file anonimo con \func{linkat}, per questo però
occorre utilizzare il \textit{pathname} ad esso associato sotto
\texttt{/proc}, che viene ottenuto (\texttt{\small 16}) con una
\func{snprintf} (vedi sez.~\ref{sec:file_formatted_io}) usando file descriptor
restituito da \func{openat}. Con questo \textit{pathname} si può procedere
(\texttt{\small 17}) a chiamare \func{linkat} per eseguire il collegamento, in
cui occorre usare il flag \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW} come nell'esempio
precedente.

Altre due funzioni che utilizzano due \textit{pathname} (e due file
descriptor) sono \funcd{renameat} e \funcd{renameat2}, corrispondenti alla
classica \func{rename}; i rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int renameat(int olddirfd, const char *oldpath, int newdirfd, const
  char *newpath)} 
\fdecl{int renameat2(int olddirfd, const char *oldpath, int newdirfd, \\
\phantom{int renameat2(}const char *newpath, int flags)}
\fdesc{Rinomina o sposta un file o una directory.} 
}

{La funzioni ritornano gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{rename}, ed in più per entrambe:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{olddirfd} o \param{newdirfd} non sono un file
    descriptor valido.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{oldpath} e \param{newpath} sono
    \textit{pathname} relativi, ma i corrispondenti \param{oldirfd} o
    \param{newdirfd} fan riferimento ad un file e non a una directory.
  \end{errlist}
  e per \func{renameat2} anche:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EEXIST}] si è richiesto \macro{RENAME\_NOREPLACE} ma
    \param{newpath} esiste già.
  \item[\errcode{EINVAL}] Si è usato un flag non valido in \param{flags}, o si
    sono usati insieme a \macro{RENAME\_EXCHANGE} o \macro{RENAME\_NOREPLACE}
    o \macro{RENAME\_WHITEOUT}, o non c'è il supporto nel filesystem per una
    delle operazioni richieste in \param{flags}.
  \item[\errcode{ENOENT}] si è richiesto \macro{RENAME\_EXCHANGE} e
    \param{newpath} non esiste.
  \item[\errcode{EPERM}] si è richiesto \macro{RENAME\_WHITEOUT} ma il
    chiamante non ha i privilegi di amministratore.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

In realtà la corrispondente di \func{rename}, prevista dallo standard
POSIX.1-2008 e disponibile dal kernel 2.6.16 come le altre
\textit{at-functions}, sarebbe soltanto \func{renameat}, su Linux però, a
partire dal kernel dal 3.15, questa è stata realizzata in termini della nuova
funzione di sistema \func{renameat2} che prevede l'uso dell'argomento
aggiuntivo \param{flags}; in questo caso \func{renameat} è totalmente
equivalente all'utilizzo di \func{renamat2} con un valore nullo per
\param{flags}.

L'uso di \func{renameat} è identico a quello di \func{rename}, con la sintassi
delle \textit{at-functions} applicabile ad entrambi i \textit{pathname} passati
come argomenti alla funzione. Con \func{renameat2} l'introduzione
dell'argomento \func{flags} (i cui valori possibili sono riportati in
tab.~\ref{tab:renameat2_flag_values}) ha permesso di aggiungere alcune
funzionalità specifiche di Linux non previste al momento da nessuno standard
(la funzione è disponibile nelle \acr{glibc} a partire dalla versione 2.28).

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \const{RENAME\_EXCHANGE} & richiede uno scambio di nomi fra
                               \param{oldpath} e \param{newpath}, non è
                               usabile con \const{RENAME\_NOREPLACE}.\\
    \const{RENAME\_NOREPLACE}& non sovrascrive  \param{newpath} se questo
                               esiste dando un errore.\\
    \const{RENAME\_WHITEOUT} & crea un oggetto di \textit{whiteout}
                               contestualmente al cambio di nome 
                               (disponibile a partire dal kernel 3.18).\\ 
    \hline
  \end{tabular}  
  \caption{I valori specifici dei bit dell'argomento \param{flags} per l'uso
    con \func{renameat2}.}
  \label{tab:renameat2_flag_values}
\end{table}

L'uso dell'argomento \param{flags} in questo caso non attiene alle
funzionalità relative alla \textit{at-functions}, ma consente di estendere le
funzionalità di \func{rename}. In particolare \func{renameat2} consente di
eseguire uno scambio di nomi in maniera atomica usando il flag
\constd{RENAME\_EXCHANGE}; se specificato la funzione rinomina in un colpo
solo \param{oldpath} in \param{newpath} e \param{newpath} in
\param{oldpath}. Usando questo flag, entrambi i \textit{pathname} passati come
argomenti devono esistere, e non è possibile usare \const{RENAME\_NOREPLACE},
non ci sono infine restrizioni sul tipo di file (regolare, directory, link
simbolici, dispositivo) di cui si scambia il nome.

Il flag \constd{RENAME\_NOREPLACE} consente di richiedere la generazione di un
errore nei casi in cui \func{rename} avrebbe causato una sovrascrittura della
destinazione, rendendo possibile evitare la stessa in maniera atomica; un
controllo preventivo dell'esistenza del file infatti avrebbe aperto alla
possibilità di una \textit{race condition} fra il momento del controllo e
quella del cambio di nome.

\itindbeg{overlay~filesytem}
\itindbeg{union~filesytem}

Infine il flag \constd{RENAME\_WHITEOUT}, introdotto con il kernel 3.18,
richiede un approfondimento specifico, in quanto attiene all'uso della
funzione con dei filesystem di tipo \textit{overlay}/\textit{union}, dato che
il flag ha senso solo quando applicato a file che stanno su questo tipo di
filesystem.  Un \textit{overlay} o \textit{union filesystem} è un filesystem
speciale strutturato in livelli, in cui si rende scrivibile un filesystem
accessibile in sola lettura, \textsl{sovrapponendogli} un filesystem
scrivibile su cui vanno tutte le modifiche. Un tale tipo di filesystem serve
ad esempio a rendere scrivibili i dati processati quando si fa partire una
distribuzione \textit{Live} basata su CD o DVD, ad esempio usando una
chiavetta o uno spazio disco aggiuntivo.

In questo caso quando si rinomina un file che sta nello strato in sola lettura
questo viene copiato a destinazione sulla parte accessibile in scrittura, ma
l'originale non può essere cancellato; per far si che esso non appaia più è
possibile creare un oggetto speciale del filesystem, chiamato
\textit{whiteout}, che serve a renderlo non più visibile. La funzione consente
di creare questo oggetto, che in un filesystem ordinario verrebbe visto come
un file di dispositivo con \textit{major minor} e \textit{minor number} nulli,
in maniera atomica quando si rinomina un file.  Dato che l'uso di
\const{RENAME\_WHITEOUT} comporta in sostanza la creazione di un file di
dispositivo, l'operazione è privilegiata (occorre la \textit{capability}
\const{CAP\_MKNOD}), inoltre occorre anche il supporto nel filesystem usato
come supporto per la scrittura. Infine l'operazione non è compatibile con
\const{RENAME\_EXCHANGE}.

\itindend{overlay~filesytem}
\itindend{union~filesytem}

Benché non rientri nelle \textit{at-functions} previste nello standard
POSIX.1-2008, tratteremo qui anche la funzione di sistema \funcd{statx},
introdotta con il kernel 4.11 e disponibile dalle versione 2.28 della
\acr{glibc}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h}
\fhead{sys/stat.h}
\fhead{unistd.h}
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int statx(int dirfd, const char *pathname, int flags, \\
\phantom{int statx(}unsigned int mask, struct statx *statxbuf)} 
\fdesc{Legge le informazioni di un file.} 
}

{La funzione ritorna gli stessi valori e gli stessi codici di errore di
  \func{stat}, \func{fstat}, o \func{lstat} a seconda del valore di
  \param{flags}, ed in più:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{dirfd} non è un file descriptor valido.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido o \param{mask}
    ha un valore riservato.
  \item[\errcode{ENOTDIR}] \param{pathname} è un \textit{pathname} relativo,
    ma \param{dirfd} fa riferimento ad un file.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

La funzione è una estensione specifica di Linux consente di leggere le
informazioni di un file; ha la stessa sintassi di \func{fstatat} utilizzando
con lo stesso significato gli argomenti \param{dirfd} e \param{pathname} ed i
valori \const{AT\_EMPTY\_PATH}, \const{AT\_NO\_AUTOMOUNT} e
\const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW} per \param{flags}. Si può pertanto indicare il
file di cui si vogliono ottenere i dati con un \textit{pathname} assoluto, con
un \textit{pathname} relativo (sia alla directory corrente che a quella
indicata da \param{dirfd}) o con un file descriptor ad esso associato.

La funzione però consente di ottenere informazioni più dettagliate rispetto a
quelle fornite dalle funzioni tradizionali come \func{stat} e \func{fstatat},
ed è in grado di controllare le modalità con cui le ottiene nel caso un file
sia posto su un filesystem remoto.  Per questo, oltre ai tre valori
precedenti, l'argomento \param{flags} consente anche gli ulteriori valori
elencati in tab.~\ref{tab:statx_flags_const}, con il significato ivi
illustrato.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{AT\_STATX\_SYNC\_AS\_STAT}& si comporta esattamente come
                                        \func{stat}, in questo caso (il default
                                        se non viene indicato niente) il
                                        risultato dipende dal tipo di
                                        filesystem.\\
    \constd{AT\_STATX\_FORCE\_SYNC}& richiede che i valori degli attributi
                                     richiesti siano, in caso di un filesystem
                                     di rete, siano sincronizzati con il server
                                     remoto, questo può forzare una scrittura
                                     dei dati (in particolare i tempi del file)
                                     verso lo stesso.\\
    \constd{AT\_STATX\_DONT\_SYNC} & chiede di non sincronizzare nessun dato,
                                     ritornando quanto presente nella cache,
                                     questo significa che i dati potrebbero
                                     essere non coerenti ed aggiornati, ma si
                                     evita, in caso di filesystem di rete, la
                                     necessità di contattare il server remoto.\\ 
    \hline
  \end{tabular}  
  \caption{Valori specifici di \func{statx} per l'argomento \param{flags}.}
  \label{tab:statx_flags_const}
\end{table}

La funzione restituisce le informazioni relative al file richiesto nella
struttura \struct{statx} puntata dall'argomento \param{statxbuf}.  Inoltre
data la quantità di informazioni che possono essere richieste, la funzione
consente, con l'argomento \param{mask} di selezionare quelle volute, questa
deve essere assegnata ad una maschera binaria dei valori illustrati in
tab.~\ref{tab:statx_mask_const}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|l|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{STATX\_TYPE}  & Tipo del file (\texttt{stx\_mode \& S\_IFMT}).\\
    \constd{STATX\_MODE}  & Permessi del file (\texttt{stx\_mode \&
                            \tild{}S\_IFMT}).\\ 
    \constd{STATX\_NLINK} & Numero di collegamenti (\textit{hard link},
                            \texttt{stx\_nlink}).\\ 
    \constd{STATX\_UID}   & Proprietario del file (per \ids{UID},
                            \texttt{stx\_uid}).\\
    \constd{STATX\_GID}   & Gruppo proprietario del file (per \ids{GID},
                            \texttt{stx\_gid}).\\
    \constd{STATX\_ATIME} & Tempo di ultimo accesso (\texttt{stx\_atime}).\\
    \constd{STATX\_MTIME} & Tempo di ultima modifica (\texttt{stx\_mtime}).\\
    \constd{STATX\_CTIME} & Tempo di ultimo cambiamento (\texttt{stx\_ctime}).\\
    \constd{STATX\_INO}   & Numero di \textit{inode} (\texttt{stx\_ino}).\\
    \constd{STATX\_SIZE}  & Dimensione del file (\texttt{stx\_size}).\\
    \constd{STATX\_BLOCKS}& Numero di blocchi del file (\texttt{stx\_blocks}).\\
    \constd{STATX\_BASIC\_STATS}& Tutte le informazioni precedenti.\\
    \constd{STATX\_BTIME} & Tempo di creazione (\texttt{stx\_btime}).\\
%    \constd{}& .\\
    \constd{STATX\_ALL}   & Tutte le informazioni.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Le costanti per i valori dell'argomento \param{mask} di
    \func{statx}.}
  \label{tab:statx_mask_const}
\end{table}

Si tenga presente che il kernel non richiede che \param{mask} contenga solo i
flag di tab.~\ref{tab:statx_mask_const}, valori ulteriori in genere vengono
ignorati ma non si può comunque indicare un valore qualunque in quanto alcuni
bit sono riservati per future estensioni.\footnote{in particolare il bit
  \constd{STATX\_\_RESERVED} che se usato causa il fallimento della funzione
  con un errore di \errval{EINVAL}.}  Inoltre non è detto che tutte le
informazioni richieste con \param{mask} siano disponibili, per questo il
kernel restituisce in un opportuno campo della struttura \struct{statx},
\var{stx\_mask}, quali sono i dati effettivamente restituiti, che possono in
alcuni casi essere anche di più di quelli richiesti (se l'informazione
aggiuntiva è ottenuta senza costi ulteriori) per cui è normale che questo
valore possa essere diverso da quanto richiesto.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{minipage}[c]{0.8\textwidth}
    \includestruct{listati/statx.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{statx} per la lettura delle informazioni dei 
    file.}
  \label{fig:file_statx_struct}
\end{figure}

Si è riportata in fig.~\ref{fig:file_statx_struct} la definizione della
struttura \struct{statx} come presente in \headfile{sys/stat.h}; i campi
\var{stx\_mode}, \var{stx\_nlink}, \var{stx\_uid}, \var{stx\_gid},
\var{stx\_ino}, \var{stx\_size}, \var{stx\_blksize}, \var{stx\_blocks} sono
identici agli analoghi (con prefisso \texttt{st\_}) dell'ordinaria struttura
\struct{stat} illustrata in fig.~\ref{fig:file_stat_struct} e vale per essi
quanto già detto in sez.~\ref{sec:file_stat} e seguenti.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{minipage}[c]{0.8\textwidth}
    \includestruct{listati/statx_timestamp.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{statx\_timestamp} per i tempi dei file con
    \func{statx}. }
  \label{fig:file_statx_timestamp_struct}
\end{figure}

Anche i campi \var{stx\_atime}, \var{stx\_mtime}, \var{stx\_ctime} mantengono
questa analogia, ma esprimono i tempi di ultimo accesso, modifica e
cambiamento con una precisione ed estensione maggiore grazie all'uso di una
struttura dedicata \struct{statx\_timestamp} (riportata in
fig.~\ref{fig:file_statx_timestamp_struct}) che consente di estendere i tempi
dei file ad una granularità del nanosecondo e con un valore dello \textit{unix
  time} (vedi sez.~\ref{sec:sys_unix_time}) a 64 bit, che non darà problemi di
overflow per parecchio tempo (sicuramente ben oltre la durata di questa
guida).

Oltre ai precedenti, e a \val{stx\_mask} che abbiamo già visto e che indica
quali delle informazioni richieste alla funzione sono state fornite,
\func{statx} prevede una serie di informazioni aggiuntive fornite in
altrettanti nuovi campi, illustrati nell'elenco seguente. È comunque previsto
che in futuro \struct{statx} venga estesa per supportare ulteriori
informazioni.

\begin{basedescript}{\desclabelwidth{1.6cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\var{stx\_btime}] In questo campo viene restituito il \textsl{tempo di
    creazione} del file. Come detto in sez.~\ref{sec:file_file_times} questo
  tempo normalmente non esiste in un sistema \textit{unix-like}, ma per
  migliorare l'interoperabilità è stato aggiunto nelle versioni più recenti di
  vari filesystem (come XFS, \acr{ext4}, ecc.) in modo che possa essere
  utilizzato da servizi di condivisione dei file (è usato da \textsl{Samba},
  ed è previsto nello standard di NFSv4).
\item[\var{stx\_attributes\_mask}] in questo campo viene restituita una
  maschera che indica quali sono i bit restituiti in \var{stx\_attributes}
  effettivamente supportati per il file, e per poter utilizzare quest'ultimo
  occorre sempre eseguire un AND aritmetico con \var{stx\_attributes\_mask} per
  ottenere i valori validi.
\item[\var{stx\_attributes}] in questo campo vengono restituiti gli eventuali
  attributi addizionali posseduti dal file. Gran parte di questi sono quelli
  impostati con i comandi \cmd{lsattr} e \cmd{chattr} ed abbiamo già incontrato
  alcuni di essi in sez.~\ref{sec:file_perm_overview}. Gli attributi vengono
  restituiti in forma di maschera binaria con i valori delle costanti elencate
  in tab.~\ref{tab:statx_stx_attributes}, dove si trova anche la relativa
  descrizione.
\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \constd{STATX\_ATTR\_COMPRESSED}& Il file è compresso automaticamente dal
                                      filesystem (quindi può richiedere un
                                      maggior uso di risorse in caso di
                                      accesso).\\
    \constd{STATX\_ATTR\_IMMUTABLE} & Il file è marcato come
                                      \textit{immutable} e non può essere
                                      modificato in nessun modo (vedi
                                      sez.~\ref{sec:file_perm_overview}).\\
    \constd{STATX\_ATTR\_APPEND}    & Il file è marcato come
                                      \textit{append-only} e può essere
                                      soltanto esteso in \textit{append} (vedi
                                      sez.~\ref{sec:file_perm_overview}).\\
    \constd{STATX\_ATTR\_NODUMP}    & Il file è marcato per essere escluso da
                                      eventuali backup a livello di filesystem
                                      come quelli eseguiti con il comando
                                      \cmd{dump}.\\
    \constd{STATX\_ATTR\_ENCRYPTED} & Il file è cifrato sul filesystem ed è
                                      necessaria una chiave di accesso per
                                      decifrarne il contenuto.\\
    \constd{STATX\_ATTR\_AUTOMOUNT} & Il file, in questo caso in genere una
                                      directory, è marcata come punto di
                                      innesco per un \textit{automount}.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Le costanti degli attributi addizionali restituiti in
    \var{stx\_attributes}.} 
  \label{tab:statx_stx_attributes}
\end{table}

\item[\var{stx\_rdev\_major}, \var{stx\_rdev\_minor}] in questi campi vengono
  restituiti rispettivamente \textit{major number} e \textit{minor number} del
  file quando questo è un file di dispositivo (fanno le veci del campo
  \var{st\_rdev} di \struct{stat}).

\item[\var{stx\_dev\_major}, \var{stx\_dev\_minor}] in questi campi vengono
  restituiti \textit{major number} e \textit{minor number} del dispositivo su
  cui risiede il file (fanno le veci del campo \var{st\_dev} di \struct{stat}).
\end{basedescript}

Di questi campi \var{stx\_mode}, \var{stx\_nlink}, \var{stx\_uid},
\var{stx\_gid}, \var{stx\_ino}, \var{stx\_size} e \var{stx\_blocks} e quelli
relativi ai tempi ordinari dei file vengono sempre restituiti, ed il relativo
valore in \struct{statx} sovrascritto, indipendentemente dal fatto che siano
stati richiesti o no, con \var{stx\_mask} che indicherà quali sono quelli che
hanno valori effettivamente validi.

Se un filesystem ha dei campi che non esistono o hanno valori senza
corrispondenza in un sistema unix-like, questi potranno essere restituiti con
valori fittizi ricostruiti, ad esempio usando \ids{UID} e \ids{GID} impostati
in fase di montaggio per un filesystem che non supporta gli utenti; in questi
casi il relativo bit in \var{stx\_mask} sarà comunque cancellato. In caso di
cambiamenti al file eseguiti in concorrenza a \func{statx} è possibile che
campi diversi possano avere informazioni ottenute in momenti diversi, con
valori precedenti o posteriori il cambiamento. Inoltre, se non richiesti
esplicitamente, alcuni campi possono avere valori approssimati, ad esempio in
caso di NFS, questi non vengono mai aggiornati dallo stato sul server remoto.

Il campo \var{stx\_btime} viene restituito solo se richiesto, e si otterrà un
valore nullo (ed il relativo bit in \var{stx\_mask} cancellato) se questo non
esiste. Lo stesso vale nel caso si siano richiesti \var{stx\_rdev\_major} o
\var{stx\_rdev\_minor} ed il file non è un file di dispositivo. I campi
\var{stx\_dev\_major}, \var{stx\_dev\_minor} e \var{stx\_blksize} attengono
ad informazioni locali, e sono sempre disponibili in maniera diretta.

% NOTE: per statx https://lwn.net/Articles/707602/ e
% https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=a528d35e8bfcc521d7cb70aaf03e1bd296c8493f)

Infine trattiamo qui altre due funzioni, \func{fexecve} e \func{execveat}, che
non attengono che in maniera indiretta all'uso dei file, ma sono comunque
legate all'interfaccia delle \textit{at-functions}. In realtà la sola
effettivamente collegata all'interfaccia delle \textit{at-functions} è la
funzione di sistema \func{execveat}, introdotta con il kernel 3.19, e per la
quale non è disponibile ancora un'interfaccia diretta nella \acr{glibc} che
però la usa (quando disponibile) per realizzare \func{fexecve}.

L'introduzione di queste funzioni nasce dall'esigenza di verificare i
contenuti di un file eseguibile prima di eseguirlo. Fare il controllo (aprendo
il file e verificandone il contenuto) e poi eseguirlo con \func{execve} è
suscettibile alla possibilità che fra il controllo e l'esecuzione il nome del
file o di una directory sovrastante venga cambiato.

Per mitigare il problema nello standard POSIX.1-2008 è stata introdotta la
funzione \funcd{fexecve} che consente di eseguire un programma usando un file
descriptor al posto di un \textit{pathname}; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[])}
\fdesc{Esegue un programma da un file descriptor.}
}

{La funzione non ritorna in caso di successo e ritorna $-1$ per un errore,
  nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} non è un file descriptor, o \param{argv}
    o  \param{envp} sono \val{NULL}.
  \item[\errcode{ENOSYS}] il filesystem \file{proc} non è disponibile (prima
    del kernel 3.19).   
  \end{errlist}
  oltre a tutti gli errori già visti per \func{execve}.}
\end{funcproto}

La funzione esegue il programma contenuto nel file (su cui il chiamante deve
avere il permesso di esecuzione) corrispondente a \param{fd}; questo deve
essere stato ottenuto aprendo il relativo eseguibile in sola lettura o con
\const{O\_PATH}. Questa funzione fino al kernel 3.19 veniva realizzata nella
\acr{glibc} usando il filesystem \file{/proc} per ottenere da \param{fd} il
file corrispondente in \file{/proc/self/fd/}, in maniera analoga a quanto
visto per l'esempio di fig.~\ref{fig:initfile}.

La funzione di sistema \funcd{execveat} è stata introdotta proprio per rendere
più sicura l'esecuzione ed evitare la necessità di avere disponibile
\file{/proc} per poter usare \func{fexecve}, il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int execveat(int dirfd, const char *pathname, char *const argv[], \\
\phantom{int execveat(}char *const envp[], int flags)}
\fdesc{Esegue un programma relativo ad una directory.} 
}

{La funzione non ritorna in caso di successo e ritorna $-1$ per un errore, nel
  qual caso \var{errno} assumerà, inoltre tutti gli errori già visti per
  \func{execve}, uno dei valori:
  \begin{errlist}
    \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un file descriptor valido.
    \item[\errcode{EINVAL}] \param{flags} non ha un valore valido.
    \item[\errcode{ELOOP}] si è usato \const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW} in 
      \param{flags} ma il file indicato è un link simbolico.
    \item[\errcode{ENOENT}] il programma di cui si è richiesta l'esecuzione è
      uno script, ma \func{dirfd} è aperto con il flag di
      \textit{close-on-exec} e pertanto il programma non sarebbe accessibile
      all'interprete.
  \end{errlist}
}
\end{funcproto}

La funzione segue la sintassi delle \textit{at-functions} per indicare il file
da eseguire, e per il resto si comporta esattamente con come \func{execve} (le
cui caratteristiche sono già state illustrate in
sez.~\ref{sec:proc_exec}). Diventa così possibile indicare il programma da
eseguire sia con un \textit{pathname} assoluto che relativo (usando
\const{AT\_FDCWD} come \param{dirfd}), oppure con un \textit{pathname}
relativo alla directory indicata da \param{dirfd}. In quest'ultima forma l'uso
della funzione consente estendere i vantaggi delle \textit{at-functions} anche
al caso dell'esecuzione di un programma.

Inoltre usando, per \param{flags} il valore \const{AT\_EMPTY\_PATH}, si può
indicare direttamente il file da eseguire aprendolo e passandone il file
descriptor nell'argomento \param{dirfd}, ottenendo il comportamento di
\func{fexecve}; quest'ultima infatti è sostanzialmente equivalente
all'esecuzione di:
\includecodesnip{listati/fexecve.c}
l'unico altro valore utilizzabile per \param{flags} è
\const{AT\_SYMLINK\_NOFOLLOW}, che fa fallire la funzione con un errore di
\errval{ELOOP} se il file indicato è un link simbolico.

Quando si usano \func{execveat} o \func{fexecve} per eseguire un programma
attraverso un file descriptor è naturale impostare sullo stesso il flag di
\textit{close-on-exec} in modo che questo venga automaticamente chiuso
all'esecuzione. Questo evita di lasciare aperto inutilmente un file descriptor
(un programma in genere non ha bisogno di avere un file aperto su se stesso),
ma soprattutto evita problemi in caso di un eventuale uso ricorsivo di queste
funzioni, in tal caso infatti, restando aperto ad ogni iterazione un ulteriore
file descriptor, si potrebbe arrivare all'esaurimento degli stessi.

Tutto questo però non è vero quando si vuole eseguire uno script; in tal caso
infatti (si ricordi quanto detto a questo riguardo in
sez.~\ref{sec:proc_exec}) il programma che viene effettivamente messo in
esecuzione è l'interprete indicato nella riga iniziale dello script, che poi
legge ed interpreta il codice da eseguire dallo script stesso. Ma se lancia lo
script usando un file descriptor su cui è attivo il flag di
\textit{close-on-exec}, questo sarà già chiuso quando l'interprete viene posto
in esecuzione, rendendo impossibile la lettura del programma da
interpretare.

Per questo motivo, quando ci si trova in questa situazione, \func{execveat} (e
quindi anche \func{fexecve}) eseguono un controllo preventivo e falliscono con
un errore di \errval{ENOENT}. Pertanto se si vuole eseguire uno script
passandone il file descriptor l'unica possibilità è non attivare il flag di
\textit{close-on-exec}, esponendosi però al rischio di incorrere nei problemi
accennati in precedenza.

% TODO: manca prototipo e motivazione di fexecve, da trattare qui in quanto
% inserita nello stesso standard e da usare con openat, vedi 
% http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699939699/toc.pdf

% TODO manca prototipo di execveat, introdotta nel 3.19, vedi
% https://lwn.net/Articles/626150/ cerca anche fexecve


% TODO: trattare i nuovi AT_flags quando e se arriveranno, vedi
% https://lwn.net/Articles/767547/ 

\itindend{at-functions}


\subsection{Le operazioni di controllo sui file descriptor}
\label{sec:file_fcntl_ioctl}

Oltre alle operazioni base esaminate in sez.~\ref{sec:file_unix_interface}
esistono tutta una serie di operazioni ausiliarie che è possibile eseguire su
un file descriptor, che non riguardano la normale lettura e scrittura di dati,
ma la gestione sia delle loro proprietà, che di tutta una serie di ulteriori
funzionalità che il kernel può mettere a disposizione.

Per le operazioni di manipolazione e di controllo delle varie proprietà e
caratteristiche di un file descriptor, viene usata la funzione di sistema
\funcd{fcntl},\footnote{ad esempio si gestiscono con questa funzione varie
  modalità di I/O asincrono (vedi sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}) e
  il \textit{file locking} (vedi sez.~\ref{sec:file_locking}) e altre
  funzionalità avanzate che tratteremo più avanti.} il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int fcntl(int fd, int cmd)}
\fdecl{int fcntl(int fd, int cmd, int arg)}
\fdecl{int fcntl(int fd, int cmd, ...)}
\fdesc{Esegue una operazione di controllo su un file descriptor.} 
}

{La funzione ha valori di ritorno diversi a seconda dell'operazione richiesta
  in caso di successo mentre ritorna sempre $-1$ per un errore, nel qual caso
  \var{errno} assumerà valori diversi che dipendono dal tipo di operazione,
  gli unici con significato generico sono:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un file aperto.
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{cmd} non è un comando supportato dal kernel
    corrente.
  \end{errlist}
}  
\end{funcproto}

Il primo argomento della funzione è sempre il numero di file descriptor
\var{fd} su cui si vuole operare. Il comportamento di questa funzione, il
numero e il tipo degli argomenti, il valore di ritorno e gli eventuali errori
aggiuntivi, sono determinati dal valore del secondo argomento \param{cmd}, che
serve a specificare il ``\textsl{comando}'' della funzione, in sostanza quale
operazione si intende eseguire. A seconda del comando richiesto il terzo
argomento può essere assente (ma se specificato lo stesso verrà semplicemente
ignorato) ed in generale dipende dal comando \param{cmd}; il caso più comune è
quello di un intero, ma ci sono comandi in cui si devono usare dei tipi
specifici, che descriveremo esplicitamente nei singoli casi.

In sez.~\ref{sec:file_dup} abbiamo incontrato un esempio dell'uso di
\func{fcntl} per la duplicazione dei file descriptor, una lista di tutti i
possibili valori per \var{cmd}, e del relativo significato, dei codici di
errore restituiti e del tipo del terzo argomento (cui faremo riferimento con
il nome indicato nel precedente prototipo), è riportata di seguito:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{1.8cm}}
\item[\constd{F\_DUPFD}] trova il primo file descriptor disponibile di valore
  maggiore o uguale all'argomento \param{arg}, e ne fa un duplicato di
  \param{fd}, ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e $-1$ in
  caso di errore. Oltre a \errval{EBADF} gli errori possibili sono
  \errcode{EINVAL} se \param{arg} è negativo o maggiore del massimo consentito
  o \errcode{EMFILE} se il processo ha già raggiunto il massimo numero di
  descrittori consentito.

\item[\constd{F\_DUPFD\_CLOEXEC}] ha lo stesso effetto di \const{F\_DUPFD}, ma
  in più attiva il flag di \textit{close-on-exec} sul file descriptor
  duplicato, in modo da evitare una successiva chiamata con
  \const{F\_SETFD}. La funzionalità è stata introdotta con il kernel 2.6.24 ed
  è prevista nello standard POSIX.1-2008 (si deve perciò definire
  \macro{\_POSIX\_C\_SOURCE} ad un valore adeguato secondo quanto visto in
  sez.~\ref{sec:intro_gcc_glibc_std}).

\item[\constd{F\_GETFD}] restituisce il valore dei \textit{file descriptor
    flags} (vedi sez.~\ref{sec:file_shared_access}) di \param{fd} in caso di
  successo o $-1$ in caso di errore, il terzo argomento viene ignorato. Non
  sono previsti errori diversi da \errval{EBADF}. Al momento l'unico flag
  usato è quello di \textit{close-on-exec}, identificato dalla costante
  \const{FD\_CLOEXEC}, che serve a richiedere che il file venga chiuso nella
  esecuzione di una \func{exec} (vedi sez.~\ref{sec:proc_exec}). Un valore
  nullo significa pertanto che il flag non è impostato.

\item[\constd{F\_SETFD}] imposta il valore dei \textit{file descriptor flags}
  (vedi sez.~\ref{sec:file_shared_access}) al valore specificato con 
  \param{arg}, ritorna un valore nullo in caso di successo e $-1$ in caso di
  errore. Non sono previsti errori diversi da \errval{EBADF}. Dato che l'unico
  flag attualmente usato è quello di \textit{close-on-exec}, identificato
  dalla costante \const{FD\_CLOEXEC}, tutti gli altri bit di \param{arg},
  anche se impostati, vengono ignorati.\footnote{questo almeno è quanto
    avviene fino al kernel 3.2, come si può evincere dal codice della funzione
    \texttt{do\_fcntl} nel file \texttt{fs/fcntl.c} dei sorgenti del kernel.}

\item[\constd{F\_GETFL}] ritorna il valore dei \textit{file status flags} di
  \param{fd} in caso di successo o $-1$ in caso di errore, il terzo argomento
  viene ignorato. Non sono previsti errori diversi da \errval{EBADF}. Il
  comando permette di rileggere il valore di quei bit
  dell'argomento \param{flags} di \func{open} che vengono memorizzati nella
  relativa voce della \textit{file table} all'apertura del file, vale a dire
  quelli riportati in tab.~\ref{tab:open_access_mode_flag} e
  tab.~\ref{tab:open_operation_flag}).

  Si ricordi che quando si usa la funzione per determinare le modalità di
  accesso con cui è stato aperto il file è necessario estrarre i bit
  corrispondenti nel \textit{file status flag} con la maschera
  \const{O\_ACCMODE} come già accennato in sez.~\ref{sec:file_open_close}.

\item[\constd{F\_SETFL}] imposta il valore dei \textit{file status flags} al
  valore specificato da \param{arg}, ritorna un valore nullo in caso di
  successo o $-1$ in caso di errore. In generale possono essere impostati solo
  i flag riportati in tab.~\ref{tab:open_operation_flag}, su Linux si possono
  modificare soltanto \const{O\_APPEND}, \const{O\_ASYNC}, \const{O\_DIRECT},
  \const{O\_NOATIME} e \const{O\_NONBLOCK}.

  Oltre a \errval{EBADF} si otterrà \errcode{EPERM} se si cerca di rimuovere
  \const{O\_APPEND} da un file marcato come \textit{append-only} o se di cerca
  di impostare \const{O\_NOATIME} su un file di cui non si è proprietari (e
  non si hanno i permessi di amministratore) ed \errcode{EINVAL} se si cerca
  di impostare \const{O\_DIRECT} su un file che non supporta questo tipo di
  operazioni.

\item[\constd{F\_GETLK}] richiede un controllo sul \textit{file lock}
  specificato nella struttura \struct{flock} puntata dal terzo argomento (che
  pertanto dovrà essere di tipo \ctyp{struct flock *}) sovrascrivendone il
  contenuto con il risultato; ritorna un valore nullo in caso di successo o
  $-1$ in caso di errore. Come per i due successivi comandi oltre a
  \errval{EBADF}, se il terzo argomento non è un puntatore valido, restituisce
  l'errore generico \errcode{EFAULT}. Questa funzionalità è trattata in
  dettaglio in sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.

\item[\constd{F\_SETLK}] richiede o rilascia un \textit{file lock} a seconda
  di quanto specificato nella struttura puntata dal terzo argomento (sempre di
  tipo \ctyp{struct flock *}); ritorna un valore nullo in caso di successo e
  $-1$ se il \textit{file lock} è tenuto da qualcun altro, nel qual caso si ha
  un errore di \errcode{EACCES} o \errcode{EAGAIN}.  Questa funzionalità è
  trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.

\item[\constd{F\_SETLKW}] identica a \const{F\_SETLK} eccetto per il fatto che
  la funzione non ritorna subito ma attende che il blocco sia rilasciato, se
  l'attesa viene interrotta da un segnale la funzione restituisce $-1$ e
  imposta \var{errno} a \errcode{EINTR}.  Questa funzionalità è trattata in
  dettaglio in sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.

\item[\constd{F\_OFD\_GETLK}] analoga di \constd{F\_GETLK} ma per i nuovi
  \textit{open file descriptor locks} introdotti con il kernel 3.15, richiede
  un controllo sul \textit{file lock} specificato nella struttura
  \struct{flock} puntata dal terzo argomento (che pertanto dovrà essere di
  tipo \ctyp{struct flock *}) sovrascrivendone il contenuto con il risultato,
  ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso di errore. Come
  per i due successivi comandi oltre a \errval{EBADF} se il terzo argomento
  non è un puntatore valido restituisce l'errore generico
  \errcode{EFAULT}. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:open_file_descriptor_locks}.

\item[\constd{F\_OFD\_SETLK}] analoga di \constd{F\_SETLK} ma per i nuovi
  \textit{open file descriptor locks} introdotti con il kernel 3.15, richiede
  o rilascia un \textit{file lock} a seconda di quanto specificato nella
  struttura puntata dal terzo argomento (sempre di tipo \ctyp{struct flock
    *}); ritorna un valore nullo in caso di successo e $-1$ se il \textit{file
    lock} è tenuto da qualcun altro, nel qual caso si ha un errore di
  \errcode{EACCES} o \errcode{EAGAIN}.  Questa funzionalità è trattata in
  dettaglio in sez.~\ref{sec:open_file_descriptor_locks}.

\item[\constd{F\_OFD\_SETLKW}] identica a \const{F\_OFD\_SETLK} eccetto per il
  fatto che la funzione non ritorna subito ma attende che il blocco sia
  rilasciato, se l'attesa viene interrotta da un segnale la funzione
  restituisce $-1$ e imposta \var{errno} a \errcode{EINTR}.  Questa
  funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:open_file_descriptor_locks}.

\item[\constd{F\_GETOWN}] restituisce in caso di successo l'identificatore del
  processo o del \textit{process group} (vedi sez.~\ref{sec:sess_proc_group})
  che è preposto alla ricezione dei segnali \signal{SIGIO} o \signal{SIGURG};
  il primo (o l'eventuale segnale alternativo impostato con \const{F\_SETSIG})
  per gli eventi asincroni associati al file descriptor \param{fd} (vedi
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}), il secondo per la notifica dei
  dati urgenti di un socket (vedi sez.~\ref{sec:TCP_urgent_data}). Restituisce
  $-1$ in caso di errore ed il terzo argomento viene ignorato. Non sono
  previsti errori diversi da \errval{EBADF}.

  Per distinguerlo dal caso in cui il segnale viene inviato a un singolo
  processo, nel caso di un \textit{process group} viene restituito un valore
  negativo il cui valore assoluto corrisponde all'identificatore del
  \textit{process group}. Con Linux questo comporta un problema perché se il
  valore restituito dalla \textit{system call} è compreso nell'intervallo fra
  $-1$ e $-4095$ in alcune architetture questo viene trattato dalla
  \acr{glibc} come un errore,\footnote{il problema deriva dalle limitazioni
    presenti in architetture come quella dei normali PC (i386) per via delle
    modalità in cui viene effettuata l'invocazione delle \textit{system call}
    che non consentono di restituire un adeguato codice di ritorno.} per cui
  in tal caso \func{fcntl} ritornerà comunque $-1$ mentre il valore restituito
  dalla \textit{system call} verrà assegnato ad \var{errno}, cambiato di
  segno.

  Per questo motivo con il kernel 2.6.32 è stato introdotto il comando
  alternativo \const{F\_GETOWN\_EX}, che vedremo a breve, che consente di
  evitare il problema. A partire dalla versione 2.11 la \acr{glibc}, se
  disponibile, usa questa versione alternativa per mascherare il problema
  precedente e restituire un valore corretto in tutti i casi.\footnote{in cui
    cioè viene restituito un valore negativo corretto qualunque sia
    l'identificatore del \textit{process group}, che non potendo avere valore
    unitario (non esiste infatti un \textit{process group} per \cmd{init}) non
    può generare ambiguità con il codice di errore.} Questo però comporta che
  il comportamento del comando può risultare diverso a seconda delle versioni
  della \acr{glibc} e del kernel.

\item[\constd{F\_SETOWN}] imposta, con il valore del terzo argomento
  \param{arg}, l'identificatore del processo o del \textit{process group} che
  riceverà i segnali \signal{SIGIO} e \signal{SIGURG} per gli eventi asincroni
  associati al file descriptor \param{fd}. Ritorna un valore nullo in caso di
  successo o $-1$ in caso di errore. Oltre a \errval{EBADF} gli errori
  possibili sono \errcode{ESRCH} se \param{arg} indica un processo o un
  \textit{process group} inesistente.

  L'impostazione è soggetta alle stesse restrizioni presenti sulla funzione
  \func{kill} (vedi sez.~\ref{sec:sig_kill_raise}), per cui un utente non
  privilegiato può inviare i segnali solo ad un processo che gli appartiene,
  in genere comunque si usa il processo corrente.  Come per \const{F\_GETOWN},
  per indicare un \textit{process group} si deve usare per \param{arg} un
  valore negativo, il cui valore assoluto corrisponda all'identificatore del
  \textit{process group}.

  A partire dal kernel 2.6.12, se si sta operando con i \textit{thread} della
  implementazione nativa di Linux (quella della NTPL, vedi
  sez.~\ref{sec:linux_ntpl}) e se si è impostato un segnale specifico con
  \const{F\_SETSIG}, un valore positivo di \param{arg} viene interpretato come
  indicante un \textit{Thread ID} e non un \textit{Process ID}.  Questo
  consente di inviare il segnale impostato con \const{F\_SETSIG} ad uno
  specifico \textit{thread}.

  In genere questo non comporta differenze significative per il processi
  ordinari, in cui non esistono altri \textit{thread}, dato che su Linux il
  \textit{thread} principale, che in tal caso è anche l'unico, mantiene un
  valore del \textit{Thread ID} uguale al \ids{PID} del processo. Il problema
  è però che questo comportamento non si applica a \signal{SIGURG}, per il
  quale \param{arg} viene sempre interpretato come l'identificatore di un
  processo o di un \textit{process group}.

\item[\constd{F\_GETOWN\_EX}] legge nella struttura puntata dal terzo
  argomento (che deve essere di tipo \ctyp{struct f\_owner\_ex *})
  l'identificatore del processo, \textit{thread} o \textit{process group} che
  è preposto alla ricezione dei segnali \signal{SIGIO} e \signal{SIGURG} per
  gli eventi associati al file descriptor \param{fd}.  Ritorna un valore nullo
  in caso di successo o $-1$ in caso di errore. Oltre a \errval{EBADF} l'unico
  altro errore è \errval{EFAULT} se \param{owner} non è un puntatore valido.

  Il comando, che è disponibile solo a partire dal kernel 2.6.32, effettua lo
  stesso compito di \const{F\_GETOWN} di cui costituisce una evoluzione che
  consente di superare i limiti e le ambiguità relative ai valori restituiti
  come identificativo. A partire dalla versione 2.11 della \acr{glibc} esso
  viene usato dalla libreria per realizzare una versione di \func{fcntl} che
  non presenti i problemi illustrati in precedenza per \const{F\_GETOWN}.  Il
  comando è specifico di Linux ed utilizzabile solo se si è definita la macro
  \macro{\_GNU\_SOURCE}.
  
  \begin{figure}[!htb]
    \footnotesize \centering
    \begin{varwidth}[c]{0.5\textwidth}
      \includestruct{listati/f_owner_ex.h}
    \end{varwidth}
    \normalsize 
    \caption{La struttura \structd{f\_owner\_ex}.} 
    \label{fig:f_owner_ex}
  \end{figure}

\item[\constd{F\_SETOWN\_EX}] imposta con il valore della struttura puntata
  dal terzo argomento (che deve essere di tipo \ctyp{struct f\_owner\_ex *})
  l'identificatore del processo o del \textit{process group} che riceverà i
  segnali \signal{SIGIO} e \signal{SIGURG} per gli eventi associati al file
  descriptor \param{fd}. Ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in
  caso di errore, con gli stessi errori di \const{F\_SETOWN} più
  \errcode{EINVAL} se il campo \var{type} di \struct{f\_owner\_ex} non indica
  un tipo di identificatore valido.

  Come \const{F\_GETOWN\_EX} il comando richiede come terzo argomento il
  puntatore ad una struttura \struct{f\_owner\_ex} (la cui definizione è
  riportata in fig.~\ref{fig:f_owner_ex}) in cui il campo \var{type} indica il
  tipo di identificatore che si intende usare, mentre il relativo valore è
  specificato nel campo \var{pid}, che assume lo stesso significato del terzo
  argomenti di \const{F\_SETOWN}.

  Per \var{type} i soli valori validi sono \constd{F\_OWNER\_TID},
  \constd{F\_OWNER\_PID} e \constd{F\_OWNER\_PGRP}, che indicano
  rispettivamente che si intende specificare con \var{pid} un \textit{Tread
    ID}, un \textit{Process ID} o un \textit{Process Group ID}. A differenza
  di \const{F\_SETOWN} se si specifica un \textit{Tread ID} questo riceverà
  sia \signal{SIGIO} (o il segnale impostato con \const{F\_SETSIG}) che
  \signal{SIGURG}. Il comando è specifico di Linux, è disponibile solo a
  partire dal kernel 2.6.32 ed è utilizzabile solo se si è definita la macro
  \macro{\_GNU\_SOURCE}.

\item[\constd{F\_GETSIG}] restituisce in caso di successo il valore del
  segnale inviato dai vari meccanismi di I/O asincrono associati al file
  descriptor \param{fd} (quelli trattati in
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}) o $-1$ in caso di errore, il
  terzo argomento viene ignorato. Non sono previsti errori diversi da
  \errval{EBADF}.  Un valore nullo indica che si sta usando il segnale
  predefinito, che è \signal{SIGIO}. Un valore diverso da zero indica il
  segnale che è stato impostato con \const{F\_SETSIG}, che può essere anche lo
  stesso \signal{SIGIO}. Il comando è specifico di Linux ed utilizzabile solo
  se si è definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.

\item[\constd{F\_SETSIG}] imposta il segnale inviato dai vari meccanismi di
  I/O asincrono associati al file descriptor \param{fd} (quelli trattati in
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}) al valore indicato
  da \param{arg}, ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso
  di errore.  Oltre a \errval{EBADF} gli errori possibili sono
  \errcode{EINVAL} se \param{arg} indica un numero di segnale non valido.  Un
  valore nullo di \param{arg} indica di usare il segnale predefinito, cioè
  \signal{SIGIO}. Un valore diverso da zero, compreso lo stesso
  \signal{SIGIO}, specifica il segnale voluto.  Il comando è specifico di
  Linux ed utilizzabile solo se si è definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.

  L'impostazione di un valore diverso da zero permette inoltre, se si è
  installato il gestore del segnale come \var{sa\_sigaction} usando
  \const{SA\_SIGINFO} (vedi sez.~\ref{sec:sig_sigaction}), di rendere
  disponibili al gestore informazioni ulteriori riguardo il file che ha
  generato il segnale attraverso i valori restituiti in
  \struct{siginfo\_t}. Se inoltre si imposta un segnale \textit{real-time} si
  potranno sfruttare le caratteristiche di avanzate di questi ultimi (vedi
  sez.~\ref{sec:sig_real_time}), ed in particolare la capacità di essere
  accumulati in una coda prima della notifica.

\item[\constd{F\_GETLEASE}] restituisce il tipo di \textit{file lease} che il
  processo detiene nei confronti del file descriptor \var{fd} o $-1$ in caso
  di errore, il terzo argomento viene ignorato. Non sono previsti errori
  diversi da \errval{EBADF}.  Il comando è specifico di Linux ed utilizzabile
  solo se si è definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.  Questa funzionalità è
  trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_lease}.

\item[\constd{F\_SETLEASE}] imposta o rimuove a seconda del valore del terzo
  argomento \param{arg} un \textit{file lease} sul file descriptor
  \var{fd}. Ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso di
  errore. Oltre a \errval{EBADF} si otterrà \errcode{EINVAL} se si è
  specificato un valore non valido per \param{arg} (deve essere usato uno dei
  valori di tab.~\ref{tab:file_lease_fctnl}), \errcode{ENOMEM} se non c'è
  memoria sufficiente per creare il \textit{file lease}, \errcode{EACCES} se
  non si è il proprietario del file e non si hanno i privilegi di
  amministratore (per la precisione occorre la capacità \const{CAP\_LEASE},
  vedi sez.~\ref{sec:proc_capabilities}).

  Il supporto per i \textit{file lease}, che consente ad un processo che
  detiene un \textit{lease} su un file di ricevere una notifica qualora un
  altro processo cerchi di eseguire una \func{open} o una \func{truncate} su
  di esso, è stato introdotto a partire dai kernel della serie 2.4. Il comando
  è specifico di Linux ed utilizzabile solo se si è definita la macro
  \macro{\_GNU\_SOURCE}. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_lease}.

\item[\constd{F\_NOTIFY}] attiva il meccanismo di notifica asincrona per cui
  viene riportato al processo chiamante, tramite il segnale \signal{SIGIO} (o
  altro segnale specificato con \const{F\_SETSIG}) ogni modifica eseguita o
  direttamente sulla directory cui \var{fd} fa riferimento, o su uno dei file
  in essa contenuti; ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in
  caso di errore. Il comando è specifico di Linux ed utilizzabile solo se si è
  definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.  Questa funzionalità, disponibile
  dai kernel della serie 2.4.x, è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_lease}.

\item[\constd{F\_GETPIPE\_SZ}] restituisce in caso di successo la dimensione
  del buffer associato alla \textit{pipe} \param{fd} (vedi
  sez.~\ref{sec:ipc_pipes}) o $-1$ in caso di errore, il terzo argomento viene
  ignorato. Non sono previsti errori diversi da \errval{EBADF}, che viene
  restituito anche se il file descriptor non è una \textit{pipe}. Il comando è
  specifico di Linux, è disponibile solo a partire dal kernel 2.6.35, ed è
  utilizzabile solo se si è definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.

\item[\constd{F\_SETPIPE\_SZ}] imposta la dimensione del buffer associato alla
  \textit{pipe} \param{fd} (vedi sez.~\ref{sec:ipc_unix}) ad un valore uguale
  o superiore a quello indicato dall'argomento \param{arg}. Ritorna un valore
  nullo in caso di successo o $-1$ in caso di errore. Oltre a \errval{EBADF}
  gli errori possibili sono \errcode{EBUSY} se si cerca di ridurre la
  dimensione del buffer al di sotto della quantità di dati effettivamente
  presenti su di esso ed \errcode{EPERM} se un processo non privilegiato cerca
  di impostare un valore troppo alto.

  La dimensione minima del buffer è pari ad una pagina di memoria, a cui verrà
  comunque arrotondata ogni dimensione inferiore, il valore specificato viene
  in genere arrotondato per eccesso al valore ritenuto più opportuno dal
  sistema, pertanto una volta eseguita la modifica è opportuno rileggere la
  nuova dimensione con \const{F\_GETPIPE\_SZ}.

  I processi non privilegiati (occorre la capacità \const{CAP\_SYS\_RESOURCE})
  non possono impostare un valore superiore a quello indicato da
  \sysctlfiled{fs/pipe-max-size}.  Il comando è specifico di Linux, è
  disponibile solo a partire dal kernel 2.6.35, ed è utilizzabile solo se si è
  definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.

\item[\constd{F\_GET\_SEALS}] restituisce in caso di successo l'insieme dei
  \textit{file seal} presenti su \param{fd}: 0 se non ve ne sono o $-1$ in
  caso di errore, il terzo argomento viene ignorato.  Oltre a \errval{EBADF}
  se il file non supporta i \textit{file seal} viene restituito un errore di
  \errval{EINVAL}. Il comando è specifico di Linux, è disponibile solo a
  partire dal kernel 3.17. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_seal_et_al}.

\item[\constd{F\_ADD\_SEALS}] aggiunge i \textit{file seal} espressi come
  maschera binaria nell'argomento \param{arg} a quelli presenti su \param{fd},
  ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso di errore. Il
  comando è specifico di Linux, è disponibile solo a partire dal kernel
  3.17. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_seal_et_al}.
  
\item[\constd{F\_GET\_RW\_HINT}] legge il valore dei \textit{read/write hints}
  associati all'\textit{inode} a cui fa riferimento \param{fd} nella variabile
  puntata dal terzo argomento che deve essere di tipo \ctyp{uint64\_t
    *}. Ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso di
  errore. Il comando è specifico di Linux, è disponibile solo a partire dal
  kernel 4.13. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_fadvise}.

\item[\constd{F\_SET\_RW\_HINT}] imposta il valore dei \textit{read/write
    hints} associati all'\textit{inode} a cui fa riferimento \param{fd}; il
  valore deve essere fornito nella variabile puntata dal terzo argomento, che
  deve essere di tipo \ctyp{uint64\_t *}. Ritorna un valore nullo in caso di
  successo o $-1$ in caso di errore.  Il comando è specifico di Linux, è
  disponibile solo a partire dal kernel 4.13. Questa funzionalità è trattata
  in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_fadvise}.
  
\item[\constd{F\_GET\_FILE\_RW\_HINT}] legge il valore dei \textit{read/write
    hints} associati al file descriptor \param{fd} nella variabile puntata dal
  terzo argomento che deve essere di tipo \ctyp{uint64\_t *}.  Ritorna un
  valore nullo in caso di successo o $-1$ in caso di errore.  Il comando è
  specifico di Linux, è disponibile solo a partire dal kernel 4.13. Questa
  funzionalità è trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_fadvise}.
  
\item[\constd{F\_SET\_FILE\_RW\_HINT}] legge il valore dei \textit{read/write
    hints} associati al file descriptor \param{fd}; il valore deve essere
  fornito nella variabile puntata dal terzo argomento, che deve essere di tipo
  \ctyp{uint64\_t *}. Ritorna un valore nullo in caso di successo o $-1$ in
  caso di errore.  Il comando è specifico di Linux, è disponibile solo a
  partire dal kernel 4.13. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_fadvise}.
  
  
\end{basedescript}


La maggior parte delle funzionalità controllate dai comandi di \func{fcntl}
sono avanzate e richiedono degli approfondimenti ulteriori, saranno pertanto
riprese più avanti quando affronteremo le problematiche ad esse relative. In
particolare le tematiche relative all'I/O asincrono e ai vari meccanismi di
notifica saranno trattate in maniera esaustiva in
sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}, quelle relative al \textit{file
  locking} saranno esaminate in sez.~\ref{sec:file_locking}, quelle relative
ai \textit{file seal} in sez.~\ref{sec:file_seal_et_al} e quelle relative ai
\textit{read/write hints} in sez.~\ref{sec:file_fadvise}. L'uso di questa
funzione con i socket verrà trattato in sez.~\ref{sec:sock_ctrl_func}.

La gran parte dei comandi di \func{fcntl} (come \const{F\_DUPFD},
\const{F\_GETFD}, \const{F\_SETFD}, \const{F\_GETFL}, \const{F\_SETFL},
\const{F\_GETLK}, \const{F\_SETLK} e \const{F\_SETLKW}) sono previsti da SVr4
e 4.3BSD e standardizzati in POSIX.1-2001 che inoltre prevede gli ulteriori
\const{F\_GETOWN} e \const{F\_SETOWN}. Pertanto nell'elenco si sono indicate
esplicitamente soltanto le ulteriori richieste in termini delle macro di
funzionalità di sez.~\ref{sec:intro_gcc_glibc_std} soltanto per le
funzionalità inserite in standard successivi o specifiche di Linux.

Benché l'interfaccia di gestione dell'I/O sui file di cui abbiamo parlato
finora si sia dimostrata valida anche per l'interazione diretta con le
periferiche attraverso i loro file di dispositivo, consentendo di usare le
stesse funzioni utilizzate per i normali file di dati, esistono però
caratteristiche peculiari, specifiche dell'hardware e delle funzionalità che
ciascun dispositivo può provvedere, che non possono venire comprese in questa
interfaccia astratta come ad esempio l'impostazione della velocità di una
porta seriale, o le dimensioni di un framebuffer.

Per questo motivo nell'architettura del sistema è stata prevista l'esistenza
di una apposita funzione di sistema, \funcd{ioctl}, come meccanismo generico
per compiere operazioni specialistiche; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/ioctl.h}
\fdecl{int ioctl(int fd, int request, ...)}
\fdesc{Esegue una operazione speciale.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo nella maggior parte dei casi, ma
  alcune operazioni possono restituire un valore positivo, mentre ritorna
  sempre $-1$ per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei
  valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINVAL}] gli argomenti \param{request} o \param{argp} non sono
    validi.
  \item[\errcode{ENOTTY}] il file \param{fd} non è associato con un
    dispositivo, o la richiesta non è applicabile all'oggetto a cui fa
    riferimento \param{fd}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF} e \errval{EFAULT} nel loro significato generico.}
\end{funcproto}


La funzione richiede che si passi come primo argomento un file
descriptor \param{fd} regolarmente aperto, mentre l'operazione da compiere
deve essere indicata dal valore dell'argomento \param{request}. Il terzo
argomento dipende dall'operazione prescelta; tradizionalmente è specificato
come \code{char * argp}, da intendersi come puntatore ad un area di memoria
generica (all'epoca della creazione di questa funzione infatti ancora non era
stato introdotto il tipo \ctyp{void}) ma per certe operazioni può essere
omesso, e per altre è un semplice intero.

Normalmente la funzione ritorna zero in caso di successo e $-1$ in caso di
errore, ma per alcune operazioni il valore di ritorno, che nel caso viene
impostato ad un valore positivo, può essere utilizzato come indicazione del
risultato della stessa. È più comune comunque restituire i risultati
all'indirizzo puntato dal terzo argomento.

Data la genericità dell'interfaccia non è possibile classificare in maniera
sistematica le operazioni che si possono gestire con \func{ioctl}, un breve
elenco di alcuni esempi di esse è il seguente:
\begin{itemize*}
\item il cambiamento dei font di un terminale.
\item l'esecuzione di una traccia audio di un CD.
\item i comandi di avanti veloce e di riavvolgimento di un nastro.
\item il comando di espulsione di un dispositivo rimovibile.
\item l'impostazione della velocità trasmissione di una linea seriale.
\item l'impostazione della frequenza e della durata dei suoni emessi dallo
  speaker.
\item l'impostazione degli attributi dei file (vedi
  sez.~\ref{sec:file_perm_management}) su un filesystem.\footnote{i comandi
    \texttt{lsattr} e \texttt{chattr} fanno questo con delle \func{ioctl}
    dedicate, usabili solo sui filesystem che li supportano.}
\end{itemize*}

In generale ogni dispositivo ha un suo insieme di operazioni specifiche
effettuabili attraverso \func{ioctl}, tutte queste sono definite nell'header
file \headfiled{sys/ioctl.h}, e devono essere usate solo sui dispositivi cui
fanno riferimento. Infatti anche se in genere i valori di \param{request} sono
opportunamente differenziati a seconda del dispositivo\footnote{il kernel usa
  un apposito \textit{magic number} per distinguere ciascun dispositivo nella
  definizione delle macro da usare per \param{request}, in modo da essere
  sicuri che essi siano sempre diversi, ed il loro uso per dispositivi diversi
  causi al più un errore.  Si veda il capitolo quinto di \cite{LinDevDri} per
  una trattazione dettagliata dell'argomento.} così che la richiesta di
operazioni relative ad altri dispositivi usualmente provoca il ritorno della
funzione con una condizione di errore, in alcuni casi, relativi a valori
assegnati prima che questa differenziazione diventasse pratica corrente, si
potrebbero usare valori validi anche per il dispositivo corrente, con effetti
imprevedibili o indesiderati.

Data la assoluta specificità della funzione, il cui comportamento varia da
dispositivo a dispositivo, non è possibile fare altro che dare una descrizione
sommaria delle sue caratteristiche; torneremo ad esaminare in seguito quelle
relative ad alcuni casi specifici, ad esempio la gestione dei terminali è
effettuata attraverso \func{ioctl} in quasi tutte le implementazioni di Unix,
mentre per l'uso di \func{ioctl} con i socket si veda
sez.~\ref{sec:sock_ctrl_func}. 

Riportiamo qui solo l'elenco delle operazioni che sono predefinite per
qualunque file, caratterizzate dal prefisso \texttt{FIO}. Queste operazioni
sono definite nel kernel a livello generale, e vengono sempre interpretate per
prime, per cui, come illustrato in \cite{LinDevDri}, eventuali operazioni
specifiche che usino lo stesso valore verrebbero ignorate:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{1.8cm}}
\item[\constd{FIOCLEX}] imposta il flag di \textit{close-on-exec} sul file, in
  questo caso, essendo usata come operazione logica, \func{ioctl} non richiede
  un terzo argomento, il cui eventuale valore viene ignorato.
\item[\constd{FIONCLEX}] cancella il flag di \textit{close-on-exec} sul file,
  in questo caso, essendo usata come operazione logica, \func{ioctl} non
  richiede un terzo argomento, il cui eventuale valore viene ignorato.
\item[\constd{FIOASYNC}] abilita o disabilita la modalità di I/O asincrono sul
  file (vedi sez.~\ref{sec:signal_driven_io}); il terzo argomento
  deve essere un puntatore ad un intero (cioè di tipo \texttt{const int *})
  che contiene un valore logico (un valore nullo disabilita, un valore non
  nullo abilita).
\item[\constd{FIONBIO}] abilita o disabilita sul file l'I/O in modalità non
  bloccante; il terzo argomento deve essere un puntatore ad un intero (cioè di
  tipo \texttt{const int *}) che contiene un valore logico (un valore nullo
  disabilita, un valore non nullo abilita).
\item[\constd{FIOSETOWN}] imposta il processo che riceverà i segnali
  \signal{SIGURG} e \signal{SIGIO} generati sul file; il terzo argomento deve
  essere un puntatore ad un intero (cioè di tipo \texttt{const int *}) il cui
  valore specifica il PID del processo.
\item[\constd{FIOGETOWN}] legge il processo che riceverà i segnali
  \signal{SIGURG} e \signal{SIGIO} generati sul file; il terzo argomento deve
  essere un puntatore ad un intero (cioè di tipo \texttt{int *}) su cui sarà
  scritto il PID del processo.
\item[\constd{FIONREAD}] legge il numero di byte disponibili in lettura sul
  file descriptor; questa operazione è disponibile solo su alcuni file
  descriptor, in particolare sui socket (vedi sez.~\ref{sec:sock_ioctl_IP}) o
  sui file descriptor di \textit{epoll} (vedi sez.~\ref{sec:file_epoll}), il
  terzo argomento deve essere un puntatore ad un intero (cioè di tipo
  \texttt{int *}) su cui sarà restituito il valore.
\item[\constd{FIOQSIZE}] restituisce la dimensione corrente di un file o di una
  directory, mentre se applicata ad un dispositivo fallisce con un errore di
  \errcode{ENOTTY}; il terzo argomento deve essere un puntatore ad un intero
  (cioè di tipo \texttt{int *}) su cui sarà restituito il valore.
\end{basedescript}

% TODO aggiungere FIBMAP e FIEMAP, vedi http://lwn.net/Articles/260795/,
% http://lwn.net/Articles/429345/ 

Si noti però come la gran parte di queste operazioni specifiche dei file (per
essere precisi le prime sei dell'elenco) siano effettuabili in maniera
generica anche tramite l'uso di \func{fcntl}. Le due funzioni infatti sono
molto simili e la presenza di questa sovrapposizione è principalmente dovuta
al fatto che alle origini di Unix i progettisti considerarono che era
necessario trattare diversamente rispetto alle operazione di controllo delle
modalità di I/O file e dispositivi usando \func{fcntl} per i primi e
\func{ioctl} per i secondi, all'epoca tra l'altro i dispositivi che usavano
\func{ioctl} erano sostanzialmente solo i terminali, il che spiega l'uso
comune di \errcode{ENOTTY} come codice di errore. Oggi non è più così ma le
due funzioni sono rimaste.

% TODO trovare qualche posto per la eventuale documentazione delle seguenti
% (bassa/bassissima priorità)
% EXT4_IOC_MOVE_EXT (dal 2.6.31)
%  EXT4_IOC_SHUTDOWN (dal 4.10), XFS_IOC_GOINGDOWN e futura FS_IOC_SHUTDOWN
% ioctl di btrfs, vedi http://lwn.net/Articles/580732/


\section{L'interfaccia standard ANSI C}
\label{sec:files_std_interface}


Come visto in sez.~\ref{sec:file_unix_interface} le operazioni di I/O sui file
sono gestibili a basso livello con l'interfaccia standard unix, che ricorre
direttamente alle \textit{system call} messe a disposizione dal kernel.

Questa interfaccia però non provvede le funzionalità previste dallo standard
ANSI C, che invece sono realizzate attraverso opportune funzioni di libreria.
Queste funzioni di libreria, insieme alle altre funzioni definite dallo
standard (che sono state implementate la prima volta da Ritchie nel 1976 e da
allora sono rimaste sostanzialmente immutate), vengono a costituire il nucleo
della \acr{glibc} per la gestione dei file.

Esamineremo in questa sezione le funzioni base di questa interfaccia che
chiameremo, per distinguerla dalla precedente ``degli \textit{stream}''. Esse
sono analoghe a quelle di sez.~\ref{sec:file_unix_interface} per i file
descriptor, ed in particolare vedremo come aprire, leggere, scrivere e
cambiare la posizione corrente in uno \textit{stream}.


\subsection{I \textit{file stream}}
\label{sec:file_stream}

\itindbeg{file~stream}

Come più volte ribadito, l'interfaccia dei file descriptor è un'interfaccia di
basso livello, che non provvede nessuna forma di formattazione dei dati e
nessuna forma di bufferizzazione per ottimizzare le operazioni di I/O.

In \cite{APUE} Stevens descrive una serie di test sull'influenza delle
dimensioni del blocco di dati (l'argomento \param{buf} di \func{read} e
\func{write}) nell'efficienza nelle operazioni di I/O con i file descriptor,
evidenziando come le prestazioni ottimali si ottengano a partire da dimensioni
del buffer dei dati pari a quelle dei blocchi del filesystem (il valore dato
dal campo \var{st\_blksize} di \struct{stat}), che di norma corrispondono alle
dimensioni dei settori fisici in cui è suddiviso il disco.

Se il programmatore non si cura di effettuare le operazioni in blocchi di
dimensioni adeguate, le prestazioni sono inferiori.  La caratteristica
principale dell'interfaccia degli \textit{stream} è che essa provvede da sola
alla gestione dei dettagli della bufferizzazione e all'esecuzione delle
operazioni di lettura e scrittura in blocchi di dimensioni appropriate
all'ottenimento della massima efficienza.

Per questo motivo l'interfaccia viene chiamata anche interfaccia dei
\textit{file stream}, dato che non è più necessario doversi preoccupare dei
dettagli con cui viene gestita la comunicazione con l'hardware sottostante
(come nel caso della dimensione dei blocchi del filesystem), ed un file può
essere sempre considerato come composto da un flusso continuo di dati, da cui
deriva appunto il nome \textit{stream}.

A parte i dettagli legati alla gestione delle operazioni di lettura e
scrittura, sia per quel che riguarda la bufferizzazione che le formattazioni,
per tutto il resto i \textit{file stream} restano del tutto equivalenti ai
file descriptor (sui quali sono basati), ed in particolare continua a valere
quanto visto in sez.~\ref{sec:file_shared_access} a proposito dell'accesso
concorrente ed in sez.~\ref{sec:file_access_control} per il controllo di
accesso.

Per ragioni storiche la struttura di dati che rappresenta uno \textit{stream}
è stata chiamata \typed{FILE}, questi oggetti sono creati dalle funzioni di
libreria e contengono tutte le informazioni necessarie a gestire le operazioni
sugli \textit{stream}, come la posizione corrente, lo stato del buffer e degli
indicatori di stato e di fine del file.

Per questo motivo gli utenti non devono mai utilizzare direttamente o allocare
queste strutture (che sono dei \textsl{tipi opachi}) ma usare sempre puntatori
del tipo \texttt{FILE *} ottenuti dalla libreria stessa, tanto che in certi
casi il termine di puntatore a file è diventato sinonimo di \textit{stream}.
Tutte le funzioni della libreria che operano sui file accettano come argomenti
solo variabili di questo tipo, che diventa accessibile includendo l'header
file \headfile{stdio.h}.

\itindend{file~stream}

Ai tre file descriptor standard (vedi tab.~\ref{tab:file_std_files}) aperti
per ogni processo, corrispondono altrettanti \textit{stream}, che
rappresentano i canali standard di input/output prestabiliti; anche questi tre
\textit{stream} sono identificabili attraverso dei nomi simbolici definiti
nell'header \headfile{stdio.h} che sono:

\begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}}
\item[\var{FILE *stdin}] Lo \textit{standard input} cioè il \textit{file
    stream} da cui il processo riceve ordinariamente i dati in
  ingresso. Normalmente è associato dalla shell all'input del terminale e
  prende i caratteri dalla tastiera.
\item[\var{FILE *stdout}] Lo \textit{standard output} cioè il \textit{file
    stream} su cui il processo invia ordinariamente i dati in
  uscita. Normalmente è associato dalla shell all'output del terminale e
  scrive sullo schermo.
\item[\var{FILE *stderr}] Lo \textit{standard error} cioè il \textit{file
    stream} su cui il processo è supposto inviare i messaggi di
  errore. Normalmente anch'esso è associato dalla shell all'output del
  terminale e scrive sullo schermo.
\end{basedescript}

Nella \acr{glibc} \var{stdin}, \var{stdout} e \var{stderr} sono effettivamente
tre variabili di tipo \type{FILE}\texttt{ *} che possono essere usate come
tutte le altre, ad esempio si può effettuare una redirezione dell'output di un
programma con il semplice codice: \includecodesnip{listati/redir_stdout.c} ma
in altri sistemi queste variabili possono essere definite da macro, e se si
hanno problemi di portabilità e si vuole essere sicuri, diventa opportuno
usare la funzione \func{freopen}.


\subsection{Le modalità di bufferizzazione}
\label{sec:file_buffering}

La bufferizzazione è una delle caratteristiche principali dell'interfaccia
degli \textit{stream}; lo scopo è quello di ridurre al minimo il numero di
\textit{system call} (\func{read} o \func{write}) eseguite nelle operazioni di
input/output. Questa funzionalità è assicurata automaticamente dalla libreria,
ma costituisce anche uno degli aspetti più comunemente fraintesi, in
particolare per quello che riguarda l'aspetto della scrittura dei dati sul
file.

I dati che vengono scritti su di uno \textit{stream} normalmente vengono
accumulati in un buffer e poi trasmessi in blocco, con l'operazione che viene
usualmente chiamata \textsl{scaricamento} del buffer (dal termine inglese
\textit{flush}) tutte le volte che questo viene riempito. Questa operazione
avviene perciò in maniera asincrona rispetto alla scrittura. Un comportamento
analogo avviene anche in lettura (cioè dal file viene letto un blocco di dati,
anche se ne sono richiesti una quantità inferiore), ma la cosa ovviamente ha
rilevanza inferiore, dato che i dati letti sono sempre gli stessi. In caso di
scrittura invece, quando si ha un accesso contemporaneo allo stesso file (ad
esempio da parte di un altro processo) si potranno vedere solo le parti
effettivamente scritte, e non quelle ancora presenti nel buffer.

Per lo stesso motivo, in tutte le situazioni in cui si sta facendo
dell'input/output interattivo, bisognerà tenere presente le caratteristiche
delle operazioni di scaricamento dei dati, poiché non è detto che ad una
scrittura sullo \textit{stream} corrisponda una immediata scrittura sul
dispositivo, e la cosa è particolarmente evidente con le operazioni di
input/output sul terminale.

Per rispondere ad esigenze diverse lo standard definisce tre distinte modalità
in cui può essere eseguita la bufferizzazione, delle quali occorre essere ben
consapevoli, specie in caso di lettura e scrittura da dispositivi interattivi:
\begin{itemize*}
\item \textit{unbuffered}: in questo caso non c'è bufferizzazione ed i
  caratteri vengono trasmessi direttamente al file non appena possibile
  (effettuando immediatamente una \func{write});
\item \textit{line buffered}: in questo caso i caratteri vengono normalmente
  trasmessi al file in blocco ogni volta che viene incontrato un carattere di
  \textit{newline} (il carattere ASCII \verb|\n|) cioè un a capo (in sostanza
  quando si preme invio);
\item \textit{fully buffered}: in questo caso i caratteri vengono
  trasmessi da e verso il file in blocchi di dimensione opportuna.
\end{itemize*}

Lo standard ANSI C specifica inoltre che lo \textit{standard output} e lo
\textit{standard input} siano aperti in modalità \textit{fully buffered}
quando non fanno riferimento ad un dispositivo interattivo, e che lo standard
error non sia mai aperto in modalità \textit{fully buffered}.

Linux, come BSD e SVr4, specifica il comportamento predefinito in maniera
ancora più precisa, e cioè impone che lo standard error sia sempre
\textit{unbuffered}, in modo che i messaggi di errore siano mostrati il più
rapidamente possibile, e che \textit{standard input} \textit{standard output}
siano aperti in modalità \textit{line buffered} quando sono associati ad un
terminale (od altro dispositivo interattivo) ed in modalità \textit{fully
  buffered} altrimenti.

Il comportamento specificato per \textit{standard input} e \textit{standard
  output} vale anche per tutti i nuovi \textit{stream} aperti da un processo;
la selezione comunque avviene automaticamente, e la libreria apre lo
\textit{stream} nella modalità più opportuna a seconda del file o del
dispositivo scelto.

La modalità \textit{line buffered} è quella che necessita di maggiori
chiarimenti e attenzioni per quel che concerne il suo funzionamento. Come già
accennato nella descrizione, \emph{di norma} i dati vengono inviati al kernel
alla ricezione di un carattere di \textsl{a capo} (il \textit{newline});
questo non è vero in tutti i casi, infatti, dato che le dimensioni del buffer
usato dalle librerie sono fisse, se le si eccedono si può avere uno scarico
dei dati anche prima che sia stato inviato un carattere di \textit{newline}.

Un secondo punto da tenere presente, particolarmente quando si ha a che fare
con I/O interattivo, è che quando si effettua una lettura da uno
\textit{stream} che comporta l'accesso alle \textit{system call} del kernel,
ad esempio se lo \textit{stream} da cui si legge è in modalità
\textit{unbuffered}, viene anche eseguito lo scarico di tutti i buffer degli
\textit{stream} in scrittura. In sez.~\ref{sec:file_buffering_ctrl} vedremo
come la libreria definisca delle opportune funzioni per controllare le
modalità di bufferizzazione e lo scarico dei dati.



\subsection{Apertura e chiusura di uno \textit{stream}}
\label{sec:file_fopen}

Le funzioni che si possono usare per aprire uno \textit{stream} sono solo tre:
\funcd{fopen}, \funcd{fdopen} e \funcd{freopen},\footnote{\func{fopen} e
  \func{freopen} fanno parte dello standard ANSI C, \func{fdopen} è parte
  dello standard POSIX.1.} ed i rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{FILE *fopen(const char *path, const char *mode)}
\fdesc{Apre uno \textit{stream} da un \texttt{pathname}.} 
\fdecl{FILE *fdopen(int fildes, const char *mode)}
\fdesc{Associa uno \textit{stream} a un file descriptor.} 
\fdecl{FILE *freopen(const char *path, const char *mode, FILE *stream)}
\fdesc{Chiude uno \textit{stream} e lo riapre su un file diverso.} 
}

{Le funzioni ritornano un puntatore ad un oggetto \type{FILE} in caso di
  successo e \val{NULL} per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà il
  valore ricevuto dalla funzione sottostante di cui è fallita l'esecuzione,
  gli errori pertanto possono essere quelli di \func{malloc} per tutte e tre
  le funzioni, quelli \func{open} per \func{fopen}, quelli di \func{fcntl} per
  \func{fdopen} e quelli di \func{fopen}, \func{fclose} e \func{fflush} per
  \func{freopen}.}
\end{funcproto}

Normalmente la funzione che si usa per aprire uno \textit{stream} è
\func{fopen}, essa apre il file specificato dal \textit{pathname} \param{path}
nella modalità specificata da \param{mode}, che è una stringa che deve
iniziare con almeno uno dei valori indicati in tab.~\ref{tab:file_fopen_mode},
anche se sono possibili varie estensioni che vedremo in seguito.

L'uso più comune di \func{freopen} è per redirigere uno dei tre file standard
(vedi sez.~\ref{sec:file_stream}): il file \param{path} viene aperto nella
modalità indicata da \param{mode} ed associato allo \textit{stream} indicato
dall'argomento \param{stream}, e se questo era uno \textit{stream} già aperto
esso viene preventivamente chiuso e tutti i dati pendenti vengono scaricati.

Infine \func{fdopen} viene usata per associare uno \textit{stream} ad un file
descriptor esistente ottenuto tramite una altra funzione (ad esempio con una
\func{open}, una \func{dup}, o una \func{pipe}) e serve quando si vogliono
usare gli \textit{stream} con file come le \textit{fifo} o i socket, che non possono
essere aperti con le funzioni delle librerie standard del C.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Valore} & \textbf{Significato}\\
    \hline
    \hline
    \texttt{r} & Il file viene aperto, l'accesso viene posto in sola
                 lettura, lo \textit{stream} è posizionato all'inizio del
                 file.\\ 
    \texttt{r+}& Il file viene aperto, l'accesso viene posto in lettura e
                 scrittura, lo \textit{stream} è posizionato all'inizio del
                 file.\\ 
%    \hline
    \texttt{w} & Il file viene aperto e troncato a lunghezza nulla (o
                 creato se non esiste), l'accesso viene posto in sola
                 scrittura, lo \textit{stream} è posizionato all'inizio del
                 file.\\ 
    \texttt{w+}& Il file viene aperto e troncato a lunghezza nulla (o
                 creato se non esiste), l'accesso viene posto in scrittura e
                 lettura, lo \textit{stream} è posizionato all'inizio del
                 file.\\ 
%    \hline
    \texttt{a} & Il file viene aperto (o creato se non esiste) in
                 \textit{append mode}, l'accesso viene posto in sola
                 scrittura.\\
    \texttt{a+}& Il file viene aperto (o creato se non esiste) in
                 \textit{append mode}, l'accesso viene posto in lettura e
                 scrittura.\\
    \hline
    \texttt{b} & Specifica che il file è binario, non ha alcun effetto. \\
    \texttt{c} & Evita che l'apertura e seguenti letture o scritture diventino
                 un \textit{cancellation point} per i \textit{thread};
                 presente dalla \acr{glibc} 2.3.3. \\
    \texttt{e} & Apre il file con il flag di \const{O\_CLOEXEC}; presente
                 dalla \acr{glibc} 2.7. \\
    \texttt{m} & Cerca di accedere al file con \func{mmap} invece
                 che con le funzioni di I/O classiche; presente
                 dalla \acr{glibc} 2.3. \\
    \texttt{x} & L'apertura fallisce se il file esiste già (ignorato con
                 \func{fdopen}).\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Modalità di apertura di uno \textit{stream} dello standard ANSI C
    che sono sempre presenti in qualunque sistema POSIX.}
  \label{tab:file_fopen_mode}
\end{table}

In realtà lo standard ANSI C prevede un totale di 15 possibili valori
diversi per \param{mode}, ma in tab.~\ref{tab:file_fopen_mode} si sono
riportati solo i sei valori effettivi, ad essi può essere aggiunto pure
il carattere ``\texttt{b}'' (come ultimo carattere o nel mezzo agli altri per
le stringhe di due caratteri) che in altri sistemi operativi serve a
distinguere i file binari dai file di testo; in un sistema POSIX questa
distinzione non esiste e il valore viene accettato solo per
compatibilità, ma non ha alcun effetto.

La \acr{glibc} supporta alcune estensioni, queste devono essere sempre
indicate dopo aver specificato il \param{mode} con uno dei valori della
seconda sezione di tab.~\ref{tab:file_fopen_mode}. Ad esempio l'uso del
carattere ``\texttt{e}'' serve ad impostare il \textit{close-on-exec} sul file
(è analoga all'uso del flag \const{O\_CLOEXEC} in \func{open}), ``\texttt{x}''
serve per evitare di sovrascrivere un file già esistente (è analoga all'uso
del flag \const{O\_EXCL} in \func{open}): se il file specificato già esiste e
si aggiunge questo carattere a \param{mode} la \func{fopen} fallisce.

Altri due valori hanno usi specialistici, con ``\texttt{m}'' si chiede di
usare il \textit{memory mapping} per l'accesso al file (tratteremo i file
mappati in memoria in sez.~\ref{sec:file_memory_map}), ma la funzionalità è al
momento disponibile solo per i file aperti in sola lettura. Con ``\texttt{c}''
infine si richiede che l'apertura, e le successive operazioni di lettura e
scrittura, non diventino un \textit{cancellation point} per i \textit{thread}
(tratteremo l'argomento in sez.~\ref{sec:xxx_thread}).

Un'altra estensione serve a supportare la localizzazione, quando si aggiunge a
\param{mode} una stringa della forma \verb|",ccs=STRING"| (che deve essere
sempre in coda a tutte le altre) il valore \verb|STRING| è considerato il nome
di una codifica dei caratteri e \func{fopen} marca il file per l'uso dei
caratteri estesi e abilita le opportune funzioni di conversione in lettura e
scrittura. 

Nel caso si usi \func{fdopen} i valori specificati da \param{mode} devono
essere compatibili con quelli con cui il file descriptor è stato aperto.
Inoltre i modi \cmd{w} e \cmd{w+} non troncano il file. La posizione nello
\textit{stream} viene impostata a quella corrente nel file descriptor, e le
variabili di errore e di fine del file (vedi sez.~\ref{sec:file_io}) sono
cancellate. Il file non viene duplicato e verrà chiuso automaticamente alla
chiusura dello \textit{stream}.

I nuovi file saranno creati secondo quanto visto in
sez.~\ref{sec:file_ownership_management} ed avranno i permessi di accesso
impostati al valore
\code{S\_IRUSR|S\_IWUSR|S\_IRGRP|S\_IWGRP|S\_IROTH|S\_IWOTH} (pari a
\val{0666}) modificato secondo il valore della \textit{umask} per il processo
(si veda sez.~\ref{sec:file_perm_management}). Una volta aperto lo
\textit{stream}, si può cambiare la modalità di bufferizzazione (si veda
sez.~\ref{sec:file_buffering_ctrl}) fintanto che non si è effettuato alcuna
operazione di I/O sul file.

In caso di file aperti in lettura e scrittura occorre ricordarsi che c'è
di mezzo una bufferizzazione; per questo motivo lo standard ANSI C
richiede che ci sia un'operazione di posizionamento fra un'operazione
di output ed una di input o viceversa (eccetto il caso in cui l'input ha
incontrato la fine del file), altrimenti una lettura può ritornare anche
il risultato di scritture precedenti l'ultima effettuata. 

Per questo motivo è una buona pratica (e talvolta necessario) far seguire ad
una scrittura una delle funzioni \func{fflush}, \func{fseek}, \func{fsetpos} o
\func{rewind} prima di eseguire una rilettura; viceversa nel caso in cui si
voglia fare una scrittura subito dopo aver eseguito una lettura occorre prima
usare una delle funzioni \func{fseek}, \func{fsetpos} o \func{rewind}. Anche
un'operazione nominalmente nulla come \code{fseek(file, 0, SEEK\_CUR)} è
sufficiente a garantire la sincronizzazione.

Una volta completate le operazioni su di esso uno \textit{stream} può essere
chiuso con la funzione \funcd{fclose}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fclose(FILE *stream)}
\fdesc{Chiude uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e \val{EOF} per un errore, nel
  qual caso \var{errno} assumerà il valore \errval{EBADF} se il file
  descriptor indicato da \param{stream} non è valido, o uno dei valori
  specificati dalla sottostante funzione che è fallita (\func{close},
  \func{write} o \func{fflush}).
}
\end{funcproto}

La funzione chiude lo \textit{stream} \param{stream} ed effettua lo scarico di
tutti i dati presenti nei buffer di uscita e scarta tutti i dati in ingresso;
se era stato allocato un buffer per lo \textit{stream} questo verrà
rilasciato. La funzione effettua lo scarico solo per i dati presenti nei
buffer in \textit{user space} usati dalla \acr{glibc}; se si vuole essere
sicuri che il kernel forzi la scrittura su disco occorrerà effettuare una
\func{sync} (vedi sez.~\ref{sec:file_sync}).

Linux supporta anche un'altra funzione, \funcd{fcloseall}, come estensione
GNU implementata dalla \acr{glibc}, accessibile avendo definito
\macro{\_GNU\_SOURCE}, il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fcloseall(void)}
\fdesc{Chiude tutti gli \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e \val{EOF} per un errore, nel
  qual caso \var{errno} assumerà gli stessi valori di \func{fclose}.}  
\end{funcproto}

La funzione esegue lo scarico dei dati bufferizzati in uscita e scarta quelli
in ingresso, chiudendo tutti i file. Questa funzione è provvista solo per i
casi di emergenza, quando si è verificato un errore ed il programma deve
essere abortito, ma si vuole compiere qualche altra operazione dopo aver
chiuso i file e prima di uscire (si ricordi quanto visto in
sez.~\ref{sec:proc_conclusion}).


\subsection{Gestione dell'I/O e posizionamento su uno \textit{stream}}
\label{sec:file_io}

Una delle caratteristiche più utili dell'interfaccia degli \textit{stream} è
la ricchezza delle funzioni disponibili per le operazioni di lettura e
scrittura sui file. Sono infatti previste ben tre diverse modalità di
input/output non formattato:
\begin{itemize*}
\item\textsl{Input/Output binario}, una modalità in cui si leggono e scrivono
  blocchi di dati di dimensione arbitraria; è l'analogo della modalità
  ordinaria dell'input/output sui file descriptor vista in
  sez.~\ref{sec:file_read} e \ref{sec:file_write}.
\item\textsl{Input/Output a caratteri}, una modalità in cui si legge e scrive
  un singolo carattere alla volta, anche in questo caso la bufferizzazione
  viene gestita automaticamente dalla libreria;
\item\textsl{Input/Output di linea}, una modalità in cui si legge e scrive una
  linea di testo alla volta, in questa modalità si intende per linea una
  sequenza di caratteri terminata dal carattere di \textit{newline}
  (\verb|'\n'|);
\end{itemize*}

A queste tre modalità si aggiunge poi la modalità di input/output formattato
che tratteremo in sez.~\ref{sec:file_unformatted_io}. Ognuna di queste
modalità utilizza per l'I/O delle funzioni specifiche che vedremo più avanti,
affronteremo qui invece gli argomenti e le funzioni che si applicano in
generale a tutte queste diverse modalità di I/O.

Una prima caratteristica specifica è che differenza di quanto avviene con
l'interfaccia dei file descriptor, con gli \textit{stream} il raggiungimento
della fine del file viene considerato un errore, che viene notificato come
tale dai valori di uscita delle varie funzioni.

In vari casi questo avviene con la restituzione di uno specifico
valore intero (di tipo \ctyp{int}) definito come \val{EOF} nell'header
\headfile{stdlib.h}. La costante deve essere negativa perché in molte funzioni
un valore positivo indica la quantità di dati scritti e ci potrebbe essere
sovrapposizione, la \acr{glibc} usa il valore $-1$, ma altre implementazioni
possono avere valori diversi.

Dato che le funzioni dell'interfaccia degli \textit{stream} sono funzioni di
libreria realizzate usando delle \textit{system call}, esse non modificano mai
direttamente la variabile \var{errno}, che in caso di errore mantiene sempre
il valore impostato dalla \textit{system call} sottostante che lo ha
riportato. 

Siccome la condizione di \textit{end-of-file} è anch'essa segnalata come
errore, nasce il problema di come distinguerla; basarsi solo sul valore di
ritorno della funzione e controllare il valore di \var{errno} infatti non
basta, dato che quest'ultimo potrebbe essere stato impostato in una altra
occasione, (si veda sez.~\ref{sec:sys_errno} per i dettagli del funzionamento
di \var{errno}).

Per questo motivo tutte le implementazioni delle librerie standard mantengono
per ogni \textit{stream} almeno due flag all'interno dell'oggetto \type{FILE},
il flag di \textit{end-of-file}, che segnala che si è raggiunta la fine del
file in lettura, e quello di errore, che segnala la presenza di un qualche
errore nelle operazioni di input/output; questi due flag possono essere
riletti dalle funzioni \funcd{feof} e \funcd{ferror}, i cui prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int feof(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla il flag di \textit{end-of-file} di uno \textit{stream}.} 
\fdecl{int ferror(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla il flag di errore di uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano un valore diverso da zero se i relativi flag sono
  impostati, e non prevedono condizioni di errore.}
\end{funcproto}

Si tenga presente comunque che la lettura di questi flag segnala soltanto che
c'è stato un errore o che si è raggiunta la fine del file in una qualunque
operazione sullo \textit{stream}, il controllo su quanto avvenuto deve quindi
essere effettuato ogni volta che si chiama una funzione di libreria.

Entrambi i flag (di errore e di \textit{end-of-file}) possono essere
cancellati usando la funzione \funcd{clearerr}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{void clearerr(FILE *stream)}
\fdesc{Cancella i flag di errore ed \textit{end-of-file} di uno
  \textit{stream}.}
}

{La funzione non ritorna nulla e prevede condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

In genere si usa questa funzione una volta che si sia identificata e corretta
la causa di un errore per evitare di mantenere i flag attivi, così da poter
rilevare una successiva ulteriore condizione di errore. Di questa funzione
esiste una analoga \funcm{clearerr\_unlocked} (con lo stesso argomento e
stessi valori di ritorno) che non esegue il blocco dello \textit{stream}
(tratteremo il significato di blocco di uno \textit{stream} in
sez.~\ref{sec:file_stream_thread}).

Come per i file descriptor anche per gli \textit{stream} è possibile spostarsi
all'interno di un file per effettuare operazioni di lettura o scrittura in un
punto prestabilito, sempre che l'operazione di riposizionamento sia supportata
dal file sottostante lo \textit{stream}, nel caso cioè in cui si ha a che fare
con quello che viene detto un file ad \textsl{accesso casuale}. Dato che in un
sistema Unix esistono vari tipi di file, come le \textit{fifo} ed i file di
dispositivo (ad esempio i terminali), non è scontato che questo sia vero in
generale, pur essendolo sempre nel caso di file di dati.

Con Linux ed in generale in ogni sistema unix-like la posizione nel file, come
abbiamo già visto in sez.~\ref{sec:file_lseek}, è espressa da un intero
positivo, rappresentato dal tipo \type{off\_t}. Il problema è che alcune delle
funzioni usate per il riposizionamento sugli \textit{stream} originano dalle
prime versioni di Unix, in cui questo tipo non era ancora stato definito, e
che in altri sistemi non è detto che la posizione su un file venga sempre
rappresentata con il numero di caratteri dall'inizio: ad esempio nel VMS dove
esistono i file a record (in cui cioè l'I/O avviene per blocchi, i record, di
dimensione fissa), essa può essere rappresentata come un numero di record, più
l'offset rispetto al record corrente.

Tutto questo comporta la presenza di diverse funzioni che eseguono
sostanzialmente le stesse operazioni, ma usano argomenti di tipo diverso. Le
funzioni tradizionali usate per eseguire una modifica della posizione corrente
sul file con uno \textit{stream} sono \funcd{fseek} e \funcd{rewind}, i
rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fseek(FILE *stream, long offset, int whence)}
\fdesc{Sposta la posizione nello \textit{stream}.} 
\fdecl{void rewind(FILE *stream)}
\fdesc{Riporta la posizione nello \textit{stream} all'inizio del file.} 
}

{La funzione \func{fseek} ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un
  errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori di \func{lseek},
  \func{rewind} non ritorna nulla e non ha condizioni di errore.}
\end{funcproto}

L'uso di \func{fseek} è del tutto analogo a quello di \func{lseek} per i file
descriptor (vedi sez.~\ref{sec:file_lseek}). Anche gli argomenti, a parte il
tipo, hanno esattamente lo stesso significato. In particolare \param{whence}
deve assumere gli stessi valori già visti nella prima parte di
tab.~\ref{tab:lseek_whence_values}.  La funzione restituisce 0 in caso di
successo e -1 in caso di errore.

La funzione \func{rewind} riporta semplicemente la posizione corrente sul file
all'inizio dello \textit{stream}, ma non è esattamente equivalente ad aver
eseguito una \code{fseek(stream, 0L, SEEK\_SET)}, in quanto con l'uso della
funzione vengono cancellati anche i flag di errore e di fine del file.

Per ottenere la posizione corrente sul file di uno \textit{stream} lo standard
ANSI C prescrive l'uso della funzione \funcd{ftell}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{long ftell(FILE *stream)} 
\fdesc{Legge la posizione attuale nello \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna la posizione corrente in caso di successo e $-1$ per un
  errore, nel qual caso \var{errno} assumerà  i valori di \func{lseek}.}  
\end{funcproto}

\noindent che restituisce la posizione come numero di byte dall'inizio dello
\textit{stream}.

Sia \func{fseek} che \func{ftell} esprimono la posizione nel file con un
intero di tipo \ctyp{long}. Dato che in certi casi, ad esempio quando si usa
un filesystem indicizzato a 64 bit su una macchina con architettura a 32 bit,
questo può non essere possibile lo standard POSIX ha introdotto le nuove
funzioni \funcd{fgetpos} e \funcd{fsetpos}, che invece usano il nuovo tipo
\typed{fpos\_t}, ed i cui prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fsetpos(FILE *stream, fpos\_t *pos)}
\fdesc{Imposta la posizione corrente sul file.} 
\fdecl{int fgetpos(FILE *stream, fpos\_t *pos)}
\fdesc{Legge la posizione corrente sul file.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà i valori di \func{lseek}.}
\end{funcproto}

In Linux, a partire dalle glibc 2.1, sono presenti anche le due funzioni
\func{fseeko} e \func{ftello}, che sono assolutamente identiche alle
precedenti \func{fseek} e \func{ftell} ma hanno argomenti di tipo
\type{off\_t} anziché di tipo \ctyp{long int}. Dato che \ctyp{long} è nella
gran parte dei casi un intero a 32 bit, questo diventa un problema quando la
posizione sul file viene espressa con un valore a 64 bit come accade nei
sistemi più moderni.

% TODO: mettere prototipi espliciti fseeko e ftello o menzione?


\subsection{Input/output non formattato}
\label{sec:file_unformatted_io}

La prima modalità di input/output non formattato ricalca quella della
interfaccia dei file descriptor, e provvede semplicemente la scrittura e la
lettura dei dati da un buffer verso un file e viceversa. In generale questa è
la modalità che si usa quando si ha a che fare con dati non formattati. Le due
funzioni che si usano per l'I/O binario sono \funcd{fread} ed \funcd{fwrite};
i rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h} 
\fdecl{size\_t fread(void *ptr, size\_t size, size\_t nmemb, FILE *stream)}
\fdesc{Legge i dati da uno \textit{stream} ad un buffer.} 
\fdecl{size\_t fwrite(const void *ptr, size\_t size, size\_t nmemb, 
  FILE *stream)}
\fdesc{Scrive i dati da un buffer su uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano il numero di elementi letti o scritti, in caso di
  errore o fine del file viene restituito un numero di elementi inferiore al
  richiesto.}
\end{funcproto}

Le funzioni rispettivamente leggono e scrivono \param{nmemb} elementi di
dimensione \param{size} dal buffer \param{ptr} al file \param{stream}.  In
genere si usano queste funzioni quando si devono trasferire su file blocchi di
dati binari in maniera compatta e veloce; un primo caso di uso tipico è quello
in cui si salva un vettore (o un certo numero dei suoi elementi) con una
chiamata del tipo:
\includecodesnip{listati/WriteVect.c}
in questo caso devono essere specificate le dimensioni di ciascun
elemento ed il numero di quelli che si vogliono scrivere. Un secondo
caso è invece quello in cui si vuole trasferire su file una struttura;
si avrà allora una chiamata tipo:
\includecodesnip{listati/WriteStruct.c}
in cui si specifica la dimensione dell'intera struttura ed un solo
elemento. 

In realtà quello che conta nel trasferimento dei dati sono le dimensioni
totali, che sono sempre pari al prodotto \code{size * nelem}, la differenza
sta nel fatto che le funzioni non ritornano il numero di byte scritti, ma il
numero di elementi (e con questo possono facilitare i conti).

La funzione \func{fread} legge sempre un numero intero di elementi, se
incontra la fine del file l'oggetto letto parzialmente viene scartato (lo
stesso avviene in caso di errore). In questo caso la posizione dello
\textit{stream} viene impostata alla fine del file (e non a quella
corrispondente alla quantità di dati letti).

In caso di errore (o fine del file per \func{fread}) entrambe le
funzioni restituiscono il numero di oggetti effettivamente letti o
scritti, che sarà inferiore a quello richiesto. Contrariamente a quanto
avviene per i file descriptor, questo segnala una condizione di errore e
occorrerà usare \func{feof} e \func{ferror} per stabilire la natura del
problema.

Benché queste funzioni assicurino la massima efficienza per il
salvataggio dei dati, i dati memorizzati attraverso di esse presentano
lo svantaggio di dipendere strettamente dalla piattaforma di sviluppo
usata ed in genere possono essere riletti senza problemi solo dallo
stesso programma che li ha prodotti.

Infatti diversi compilatori possono eseguire ottimizzazioni diverse delle
strutture dati e alcuni compilatori (come il \cmd{gcc}) possono anche
scegliere se ottimizzare l'occupazione di spazio, impacchettando più
strettamente i dati, o la velocità inserendo opportuni \textit{padding} per
l'allineamento dei medesimi generando quindi output binari diversi. Inoltre
altre incompatibilità si possono presentare quando entrano in gioco differenze
di architettura hardware, come la dimensione del bus o la modalità di
ordinamento dei bit o il formato delle variabili in floating point.

Per questo motivo quando si usa l'input/output binario occorre sempre prendere
le opportune precauzioni come usare un formato di più alto livello che
permetta di recuperare l'informazione completa, per assicurarsi che versioni
diverse del programma siano in grado di rileggere i dati, tenendo conto delle
eventuali differenze.

La seconda modalità di input/output non formattato è quella a caratteri, in
cui si trasferisce un carattere alla volta.  Le funzioni per la lettura a
caratteri sono tre, \funcd{fgetc}, \funcd{getc} e \funcd{getchar}, ed i
rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int getc(FILE *stream)}
\fdecl{int fgetc(FILE *stream)}
\fdesc{Leggono un singolo byte da uno \textit{stream}.} 
\fdecl{int getchar(void)}
\fdesc{Legge un byte dallo \textit{standard input}.} 
}

{Le funzioni ritornano il byte letto in caso di successo e \val{EOF} per un
  errore o se si arriva alla fine del file.}  
\end{funcproto}

La funzione \func{getc} legge un byte da \param{stream} e lo restituisce come
intero, ed in genere è implementata come una macro per cui può avere
\textit{side effects}, mentre \func{fgetc} è assicurato essere sempre una
funzione. Infine \func{getchar} è equivalente a \code{getc(stdin)}.

A parte \func{getchar}, che si usa in genere per leggere un carattere da
tastiera, le altre due funzioni sono sostanzialmente equivalenti. La
differenza è che \func{getc} è ottimizzata al massimo e normalmente
viene implementata con una macro, per cui occorre stare attenti a cosa
le si passa come argomento, infatti \param{stream} può essere valutato
più volte nell'esecuzione, e non viene passato in copia con il
meccanismo visto in sez.~\ref{sec:proc_var_passing}; per questo motivo se
si passa un'espressione si possono avere effetti indesiderati.

Invece \func{fgetc} è assicurata essere sempre una funzione, per questo motivo
la sua esecuzione normalmente è più lenta per via dell'overhead della
chiamata, ma è altresì possibile ricavarne l'indirizzo, che può essere passato
come argomento ad un altra funzione (e non si hanno i problemi accennati in
precedenza nel tipo di argomento).

Le tre funzioni restituiscono tutte un \ctyp{unsigned char} convertito
ad \ctyp{int} (si usa \ctyp{unsigned char} in modo da evitare
l'espansione del segno). In questo modo il valore di ritorno è sempre
positivo, tranne in caso di errore o fine del file.

Nelle estensioni GNU che provvedono la localizzazione sono definite tre
funzioni equivalenti alle precedenti, \funcd{getwc}, \funcd{fgetwc} e
\funcd{getwchar}, che invece di un carattere di un byte restituiscono un
carattere in formato esteso (cioè di tipo \ctyp{wint\_t}), il loro prototipo
è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h} 
\fhead{wchar.h}
\fdecl{wint\_t getwc(FILE *stream)}
\fdecl{wint\_t fgetwc(FILE *stream)}
\fdesc{Leggono un carattere da uno \textit{stream}.} 
\fdecl{wint\_t getwchar(void)}
\fdesc{Legge un carattere dallo \textit{standard input}.} 
}

{Le funzioni ritornano il carattere letto in caso di successo e \val{WEOF} per
  un errore o se si arriva alla fine del file.}  
\end{funcproto}

La funzione \func{getwc} legge un carattere esteso da \param{stream} e lo
restituisce come intero, ed in genere è implementata come una macro, mentre
\func{fgetwc} è assicurata essere sempre una funzione. Infine \func{getwchar}
è equivalente a \code{getwc(stdin)}.

Per scrivere un carattere si possono usare tre funzioni, analoghe alle
precedenti usate per leggere: \funcd{putc}, \funcd{fputc} e \funcd{putchar}; i
loro prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h} 
\fdecl{int putc(int c, FILE *stream)}
\fdecl{int fputc(int c, FILE *stream)}
\fdesc{Scrive un byte su uno \textit{stream}.}
\fdecl{int putchar(int c)}
\fdesc{Scrive un byte sullo \textit{standard output}.}
}

{Le funzioni ritornano il valore del byte scritto in caso di successo e
  \val{EOF} per un errore.}  
\end{funcproto}

La funzione \func{putc} scrive un byte su \param{stream} e lo restituisce come
intero, ed in genere è implementata come una macro, mentre \func{fputc} è
assicurata essere sempre una funzione. Infine \func{putchar} è equivalente a
\code{putc(stdout)}.  Tutte queste funzioni scrivono sempre un byte alla
volta, anche se prendono come argomento un \ctyp{int} (che pertanto deve
essere ottenuto con un cast da un \ctyp{unsigned char}). Anche il valore di
ritorno è sempre un intero; in caso di errore o fine del file il valore di
ritorno è \val{EOF}.

Come nel caso dell'I/O binario con \func{fread} e \func{fwrite} la \acr{glibc}
provvede come estensione, per ciascuna delle funzioni precedenti,
un'ulteriore funzione, il cui nome è ottenuto aggiungendo un
\code{\_unlocked}, che esegue esattamente le stesse operazioni, evitando però
il lock implicito dello \textit{stream}.

Per compatibilità con SVID sono inoltre provviste anche due funzioni,
\funcd{getw} e \funcd{putw}, da usare per leggere e scrivere una \textit{word}
(cioè due byte in una volta); i loro prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h} 
\fdecl{getw(FILE *stream)}
\fdesc{Legge una parola da uno \textit{stream}.} 
\fdecl{int putw(int w, FILE *stream)}
\fdesc{Scrive una parola su uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano la parola letta o scritta in caso di successo e
  \val{EOF} per un errore.}
\end{funcproto}

Le funzioni leggono e scrivono una \textit{word} di due byte, usando comunque
una variabile di tipo \ctyp{int}; il loro uso è deprecato in favore dell'uso
di \func{fread} e \func{fwrite}, in quanto non è possibile distinguere il
valore -1 da una condizione di errore che restituisce \val{EOF}.

Uno degli usi più frequenti dell'input/output a caratteri è nei programmi di
\textit{parsing} in cui si analizza il testo; in questo contesto diventa utile
poter analizzare il carattere successivo da uno \textit{stream} senza estrarlo
effettivamente (la tecnica è detta \textit{peeking ahead}) in modo che il
programma possa regolarsi avendo dato una \textsl{sbirciatina} a quello che
viene dopo.

Nel nostro caso questo tipo di comportamento può essere realizzato prima
leggendo il carattere, e poi rimandandolo indietro, cosicché ridiventi
disponibile per una lettura successiva; la funzione che inverte la
lettura si chiama \funcd{ungetc} ed il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int ungetc(int c, FILE *stream)}
\fdesc{Manda indietro un byte su uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna il byte inviato in caso di successo e \val{EOF} per un
  errore.}  
\end{funcproto}
 
La funzione rimanda indietro il carattere \param{c}, con un cast a
\ctyp{unsigned char}, sullo \textit{stream} \param{stream}. Benché lo standard
ANSI C preveda che l'operazione possa essere ripetuta per un numero arbitrario
di caratteri, alle implementazioni è richiesto di garantire solo un livello;
questo è quello che fa la \acr{glibc}, che richiede che avvenga un'altra
operazione fra due \func{ungetc} successive.

Non è necessario che il carattere che si manda indietro sia l'ultimo che si è
letto, e non è necessario neanche avere letto nessun carattere prima di usare
\func{ungetc}, ma di norma la funzione è intesa per essere usata per rimandare
indietro l'ultimo carattere letto.  Nel caso \param{c} sia un \val{EOF} la
funzione non fa nulla, e restituisce sempre \val{EOF}; così si può usare
\func{ungetc} anche con il risultato di una lettura alla fine del file.

Se si è alla fine del file si può comunque rimandare indietro un carattere, il
flag di \textit{end-of-file} verrà automaticamente cancellato perché c'è un
nuovo carattere disponibile che potrà essere riletto successivamente.

Infine si tenga presente che \func{ungetc} non altera il contenuto del file,
ma opera esclusivamente sul buffer interno. Se si esegue una qualunque delle
operazioni di riposizionamento (vedi sez.~\ref{sec:file_io}) i caratteri
rimandati indietro vengono scartati.

La terza ed ultima modalità di input/output non formattato è quella di linea,
in cui si legge o si scrive una riga alla volta. Questa è la modalità usata
normalmente per l'I/O da terminale, ed è anche quella che presenta le
caratteristiche più controverse.

Le funzioni previste dallo standard ANSI C per leggere una linea sono
sostanzialmente due, \funcd{gets} e \funcd{fgets}, i cui rispettivi
prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{char *gets(char *string)}
\fdesc{Legge una linea di testo dallo \textit{standard input}.}
\fdecl{char *fgets(char *string, int size, FILE *stream)}
\fdesc{Legge una linea di testo da uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano l'indirizzo della stringa con la linea di testo letta o
  scritta in caso di successo e \val{NULL} per un errore.}
\end{funcproto}
 
Entrambe le funzioni effettuano la lettura, dal file specificato \func{fgets},
dallo \textit{standard input} \func{gets}, di una linea di caratteri terminata
dal carattere ASCII di \textit{newline}, che come detto corrisponde a quello
generato dalla pressione del tasto di invio sulla tastiera. Si tratta del
carattere che indica la terminazione di una riga (in sostanza del carattere di
``\textsl{a capo}'') che viene rappresentato nelle stringhe di formattazione
che vedremo in sez.~\ref{sec:file_formatted_io} come
``\verb|\n|''. Nell'esecuzione delle funzioni \func{gets} sostituisce
``\verb|\n|'' con uno zero, mentre \func{fgets} aggiunge uno zero dopo il
\textit{newline}, che resta dentro la stringa.

\itindbeg{buffer~overflow}

Se la lettura incontra la fine del file (o c'è un errore) viene restituito un
puntatore \val{NULL}, ed il buffer \param{buf} non viene toccato.  L'uso di
\func{gets} è deprecato e deve essere assolutamente evitato, la funzione
infatti non controlla il numero di byte letti, per cui nel caso la stringa
letta superi le dimensioni del buffer, si avrà un \textit{buffer overflow},
con sovrascrittura della memoria del processo adiacente al
buffer.\footnote{questa tecnica è spiegata in dettaglio e con molta efficacia
  nell'ormai famoso articolo di Aleph1 \cite{StS}.}

Questa è una delle vulnerabilità più sfruttate per guadagnare accessi non
autorizzati al sistema (i cosiddetti \textit{exploit}), basta infatti inviare
una stringa sufficientemente lunga ed opportunamente forgiata per
sovrascrivere gli indirizzi di ritorno nello \textit{stack} (supposto che la
\func{gets} sia stata chiamata da una subroutine), in modo da far ripartire
l'esecuzione nel codice inviato nella stringa stessa, che in genere contiene
uno \textit{shell code}, cioè una sezione di programma che lancia una shell da
cui si potranno poi eseguire altri programmi.

\itindend{buffer~overflow}

La funzione \func{fgets} non ha i precedenti problemi di \func{gets} in quanto
prende in ingresso la dimensione del buffer \param{size}, che non verrà mai
ecceduta in lettura. La funzione legge fino ad un massimo di \param{size}
caratteri (\textit{newline} compreso), ed aggiunge uno zero di terminazione;
questo comporta che la stringa possa essere al massimo di \code{size-1}
caratteri.  Se la linea eccede la dimensione del buffer verranno letti solo
\code{size-1} caratteri, ma la stringa sarà sempre terminata correttamente con
uno zero finale; sarà possibile leggere i rimanenti caratteri in una chiamata
successiva.

Per la scrittura di una linea lo standard ANSI C prevede altre due
funzioni, \funcd{fputs} e \funcd{puts}, analoghe a quelle di lettura, i
rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int puts(char *string)}
\fdesc{Scrive una linea di testo sullo \textit{standard output}.}
\fdecl{int fputs(char *string, int size, FILE *stream)}
\fdesc{Scrive una linea di testo su uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano un valore non negativo in caso di successo e \val{EOF}
  per un errore.}
\end{funcproto}

La funzione \func{puts} scrive una linea di testo mantenuta
all'indirizzo \param{string} sullo \textit{standard output} mentre \func{puts}
la scrive sul file indicato da \param{stream}.  Dato che in questo caso si
scrivono i dati in uscita \func{puts} non ha i problemi di \func{gets} ed è in
genere la forma più immediata per scrivere messaggi sullo \textit{standard
  output}; la funzione prende una stringa terminata da uno zero ed aggiunge
automaticamente il ritorno a capo. La differenza con \func{fputs} (a parte la
possibilità di specificare un file diverso da \var{stdout}) è che quest'ultima
non aggiunge il \textit{newline}, che deve essere previsto esplicitamente.

Come per le analoghe funzioni di input/output a caratteri, anche per l'I/O di
linea esistono delle estensioni per leggere e scrivere linee di caratteri
estesi, le funzioni in questione sono \funcd{fgetws} e \funcd{fputws} ed i
loro prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{wchar.h}
\fdecl{wchar\_t *fgetws(wchar\_t *ws, int n, FILE *stream)}
\fdesc{Legge una stringa di carattere estesi da uno \textit{stream}.} 
\fdecl{int fputws(const wchar\_t *ws, FILE *stream)}
\fdesc{Scrive una stringa di carattere estesi da uno \textit{stream}.} 
}

{Le funzioni ritornano rispettivamente l'indirizzo della stringa o un non
  negativo in caso di successo e \val{NULL} o \val{EOF} per un errore o per la
  fine del file.}
\end{funcproto}


La funzione \func{fgetws} legge un massimo di \param{n} caratteri estesi dal
file \param{stream} al buffer \param{ws}, mentre la funzione \func{fputws}
scrive la linea \param{ws} di caratteri estesi sul file indicato
da \param{stream}.  Il comportamento di queste due funzioni è identico a
quello di \func{fgets} e \func{fputs}, a parte il fatto che tutto (numero di
caratteri massimo, terminatore della stringa, \textit{newline}) è espresso in
termini di caratteri estesi anziché di normali caratteri ASCII.

Come abbiamo visto, le funzioni di lettura per l'input/output di linea
previste dallo standard ANSI C presentano svariati inconvenienti. Benché
\func{fgets} non abbia i gravissimi problemi di \func{gets}, può comunque dare
risultati ambigui se l'input contiene degli zeri; questi infatti saranno
scritti sul buffer di uscita e la stringa in output apparirà come più corta
dei byte effettivamente letti. Questa è una condizione che è sempre possibile
controllare (deve essere presente un \textit{newline} prima della effettiva
conclusione della stringa presente nel buffer), ma a costo di una
complicazione ulteriore della logica del programma. Lo stesso dicasi quando si
deve gestire il caso di stringa che eccede le dimensioni del buffer.

Per questo motivo la \acr{glibc} prevede, come estensione GNU, due nuove
funzioni per la gestione dell'input/output di linea, il cui uso permette di
risolvere questi problemi. L'uso di queste funzioni deve essere attivato
definendo la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} prima di includere
\headfile{stdio.h}. La prima delle due, \funcd{getline}, serve per leggere una
linea terminata da un \textit{newline}, esattamente allo stesso modo di
\func{fgets}, il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{ssize\_t getline(char **buffer, size\_t *n, FILE *stream)}
\fdesc{Legge una riga da uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna il numero di caratteri letti in caso di successo e $-1$
  per un errore o per il raggiungimento della fine del file.}
\end{funcproto}

La funzione legge una linea dal file \param{stream} copiandola sul buffer
indicato da \param{buffer} riallocandolo se necessario (l'indirizzo del buffer
e la sua dimensione vengono sempre riscritte). Permette così di eseguire una
lettura senza doversi preoccupare della eventuale lunghezza eccessiva della
stringa da leggere. 

Essa prende come primo argomento l'indirizzo del puntatore al buffer su cui si
vuole copiare la linea. Quest'ultimo \emph{deve} essere stato allocato in
precedenza con una \func{malloc}: non si può cioè passare come argomento primo
argomento l'indirizzo di un puntatore ad una variabile locale. Come secondo
argomento la funzione vuole l'indirizzo della variabile contenente le
dimensioni del suddetto buffer.

Se il buffer di destinazione è sufficientemente ampio la stringa viene scritta
subito, altrimenti il buffer viene allargato usando \func{realloc} e la nuova
dimensione ed il nuovo puntatore vengono restituiti indietro, si noti infatti
come entrambi gli argomenti siano dei \textit{value result argument}, per i
quali vengono passati dei puntatori anziché i valori delle variabili, secondo
quanto abbiamo descritto in sez.~\ref{sec:proc_var_passing}).

Se si passa alla funzione l'indirizzo di un puntatore impostato a \val{NULL} e
\var{*n} è zero, la funzione provvede da sola all'allocazione della memoria
necessaria a contenere la linea. In tutti i casi si ottiene dalla funzione un
puntatore all'inizio del testo della linea letta. Un esempio di codice può
essere il seguente: 
\includecodesnip{listati/getline.c} 
e per evitare \textit{memory leak} occorre ricordarsi di liberare la memoria
allocata dalla funzione eseguendo una \func{free} su \var{ptr}.

Il valore di ritorno di \func{getline} indica il numero di caratteri letti
dallo \textit{stream}, quindi compreso il \textit{newline}, ma non lo zero di
terminazione. Questo permette anche di distinguere anche gli eventuali zeri
letti come dati dallo \textit{stream} da quello inserito dalla funzione dopo
il \textit{newline} per terminare la stringa.  Se si è alla fine del file e
non si è potuto leggere nulla o se c'è stato un errore la funzione restituisce
$-1$.

La seconda estensione GNU per la lettura con l'I/O di linea è una
generalizzazione di \func{getline} per poter usare come separatore delle linee
un carattere qualsiasi al posto del \textit{newline}. La funzione si chiama
\funcd{getdelim} ed il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{size\_t getdelim(char **buffer, size\_t *n, int delim, FILE *stream)} 
\fdesc{Legge da uno \textit{stream} una riga delimitata da un carattere
  scelto.} 
}

{La funzione ha gli stessi valori di ritorno e gli stessi errori di
  \func{getline}.}
\end{funcproto}

La funzione è identica a \func{getline} solo che usa \param{delim} al posto
del carattere di \textit{newline} come separatore di linea. Il comportamento
di \func{getdelim} è identico a quello di \func{getline}, che può essere
implementata da \func{getdelim} passando ``\verb|\n|'' come valore
dell'argomento \param{delim}.


\subsection{Input/output formattato}
\label{sec:file_formatted_io}

L'ultima modalità di input/output è quella formattata, che è una delle
caratteristiche più utilizzate delle librerie standard del C; in genere questa
è la modalità in cui si esegue normalmente l'output su terminale poiché
permette di stampare in maniera facile e veloce dati, tabelle e messaggi.

L'output formattato viene eseguito con una delle 13 funzioni della famiglia
\func{printf}; le tre più usate sono \funcd{printf}, \funcd{fprintf} e
\funcd{sprintf}, i cui prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h} 
\fdecl{int printf(const char *format, ...)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata sullo \textit{standard output}.}
\fdecl{int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata su uno \textit{stream}.} 
\fdecl{int sprintf(char *str, const char *format, ...)} 
\fdesc{Scrive una stringa formattata su un buffer.} 
}

{Le funzioni ritornano il numero di caratteri scritti in caso di successo e un
  valore negativo per un errore.}  
\end{funcproto}


Le funzioni usano la stringa \param{format} come indicatore del formato con
cui dovrà essere scritto il contenuto degli argomenti, il cui numero è
variabile e dipende dal formato stesso.

Le prime due servono per scrivere su file (lo \textit{standard output} o
quello specificato) la terza permette di scrivere su una stringa, in genere
l'uso di \func{sprintf} è sconsigliato in quanto è possibile, se non si ha la
sicurezza assoluta sulle dimensioni del risultato della stampa, eccedere le
dimensioni di \param{str}, con conseguente sovrascrittura di altre variabili e
possibili \textit{buffer overflow}. Per questo motivo si consiglia l'uso
dell'alternativa \funcd{snprintf}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{snprintf(char *str, size\_t size, const char *format, ...)} 
\fdesc{Scrive una stringa formattata su un buffer.} 
}

{La funzione ha lo stesso valore di ritorno e gli stessi errori di
  \func{sprintf}.}
\end{funcproto}

\noindent la funzione è identica a \func{sprintf}, ma non scrive
su \param{str} più di \param{size} caratteri, garantendo così che il buffer
non possa essere sovrascritto.

\begin{table}[!htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|l|p{10cm}|}
    \hline
    \textbf{Valore} & \textbf{Tipo} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
   \cmd{\%d} &\ctyp{int}         & Stampa un numero intero in formato decimale
                                   con segno.\\
   \cmd{\%i} &\ctyp{int}         & Identico a \cmd{\%d} in output.\\
   \cmd{\%o} &\ctyp{unsigned int}& Stampa un numero intero come ottale.\\
   \cmd{\%u} &\ctyp{unsigned int}& Stampa un numero intero in formato
                                   decimale senza segno.\\
   \cmd{\%x}, 
   \cmd{\%X} &\ctyp{unsigned int}& Stampano un intero in formato esadecimale,
                                   rispettivamente con lettere minuscole e
                                   maiuscole.\\
   \cmd{\%f} &\ctyp{double}      & Stampa un numero in virgola mobile con la
                                   notazione a virgola fissa.\\
   \cmd{\%e}, 
   \cmd{\%E} &\ctyp{double} & Stampano un numero in virgola mobile con la
                              notazione esponenziale, rispettivamente con
                              lettere minuscole e maiuscole.\\
   \cmd{\%g}, 
   \cmd{\%G} &\ctyp{double} & Stampano un numero in virgola mobile con la
                              notazione più appropriate delle due precedenti,
                              rispettivamente con lettere minuscole e
                              maiuscole.\\
   \cmd{\%a}, 
   \cmd{\%A} &\ctyp{double} & Stampano un numero in virgola mobile in
                              notazione esadecimale frazionaria.\\
   \cmd{\%c} &\ctyp{int}    & Stampa un carattere singolo.\\
   \cmd{\%s} &\ctyp{char *} & Stampa una stringa.\\
   \cmd{\%p} &\ctyp{void *} & Stampa il valore di un puntatore.\\
   \cmd{\%n} &\ctyp{\&int}  & Prende il numero di caratteri stampati finora.\\
   \cmd{\%\%}&              & Stampa un ``\texttt{\%}''.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori possibili per gli specificatori di conversione in una
    stringa di formato di \func{printf}.} 
  \label{tab:file_format_spec}
\end{table}

La parte più complessa delle funzioni di scrittura formattata è il formato
della stringa \param{format} che indica le conversioni da fare, e da cui
deriva anche il numero degli argomenti che dovranno essere passati a seguire:
si noti come tutte queste funzioni siano ``\textit{variadic}'', prendendo un
numero di argomenti variabile che dipende appunto da quello che si è
specificato in \param{format}.

La stringa di formato è costituita da caratteri normali (tutti eccetto
``\texttt{\%}''), che vengono passati invariati in uscita, e da direttive di
conversione, in cui devono essere sempre presenti il carattere
``\texttt{\%}'', che introduce la direttiva, ed uno degli specificatori di
conversione (riportati in tab.~\ref{tab:file_format_spec}) che la conclude.

Il formato di una direttiva di conversione prevede una serie di possibili
elementi opzionali oltre al carattere ``\cmd{\%}'' e allo specificatore di
conversione. In generale essa è sempre del tipo:
\begin{Example}
% [n. parametro $] [flag] [[larghezza] [. precisione]] [tipo] conversione
\end{Example}
in cui tutti i valori tranne il ``\texttt{\%}'' e lo specificatore di
conversione sono opzionali (e per questo sono indicati fra parentesi quadre);
si possono usare più elementi opzionali, nel qual caso devono essere
specificati in questo ordine:
\begin{itemize*}
\item uno specificatore del parametro da usare (terminato da un carattere
  ``\val{\$}''),
\item uno o più flag (i cui valori possibili sono riassunti in
  tab.~\ref{tab:file_format_flag}) che controllano il formato di stampa della
  conversione,
\item uno specificatore di larghezza (un numero decimale), eventualmente
  seguito (per i numeri in virgola mobile) da un specificatore di precisione
  (un altro numero decimale),
\item uno specificatore del tipo di dato, che ne indica la dimensione (i cui
  valori possibili sono riassunti in tab.~\ref{tab:file_format_type}).
\end{itemize*}

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|}
    \hline
    \textbf{Valore} & \textbf{Significato}\\
    \hline
    \hline
    \val{\#} & Chiede la conversione in forma alternativa.\\
    \val{0}  & La conversione è riempita con zeri alla sinistra del valore.\\
    \val{-}  & La conversione viene allineata a sinistra sul bordo del campo.\\
    \val{' '}& Mette uno spazio prima di un numero con segno di valore 
               positivo.\\
    \val{+}  & Mette sempre il segno ($+$ o $-$) prima di un numero.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{I valori dei flag per il formato di \func{printf}}
  \label{tab:file_format_flag}
\end{table}

Dettagli ulteriori sulle varie opzioni di stampa e su tutte le casistiche dei
vari formati possono essere trovati nella pagina di manuale di \func{printf} e
nella documentazione della \acr{glibc}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|}
    \hline
    \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \cmd{hh} & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{char} con o senza
               segno, o il puntatore per il numero dei parametri \cmd{n} è di 
               tipo \ctyp{char}.\\
    \cmd{h}  & Una conversione intera corrisponde a uno \ctyp{short} con o 
               senza segno, o il puntatore per il numero dei parametri \cmd{n}
               è di tipo \ctyp{short}.\\
    \cmd{l}  & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{long} con o 
               senza segno, o il puntatore per il numero dei parametri \cmd{n}
               è di tipo \ctyp{long}, o il carattere o la stringa seguenti
               sono in formato esteso.\\ 
    \cmd{ll} & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{long long} con o 
               senza segno, o il puntatore per il numero dei parametri \cmd{n}
               è di tipo \ctyp{long long}.\\
    \cmd{L}  & Una conversione in virgola mobile corrisponde a un
               \ctyp{double}.\\
    \cmd{q}  & Sinonimo di \cmd{ll}.\\
    \cmd{j}  & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{intmax\_t} o 
               \ctyp{uintmax\_t}.\\
    \cmd{z}  & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{size\_t} o 
               \ctyp{ssize\_t}.\\
    \cmd{t}  & Una conversione intera corrisponde a un \ctyp{ptrdiff\_t}.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Il modificatore di tipo di dato per il formato di \func{printf}}
  \label{tab:file_format_type}
\end{table}

Una versione alternativa delle funzioni di output formattato, che permettono
di usare il puntatore ad una lista variabile di argomenti (vedi
sez.~\ref{sec:proc_variadic}), sono \funcd{vprintf}, \funcd{vfprintf} e
\funcd{vsprintf}, i cui prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int vprintf(const char *format, va\_list ap)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata sullo \textit{standard output}.} 
\fdecl{int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va\_list ap)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata su uno \textit{stream}.}
\fdecl{int vsprintf(char *str, const char *format, va\_list ap)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata su un buffer.}
}

{Le funzioni ritornano il numero di caratteri scritti in caso di successo e un
  valore negativo per un errore.}  
\end{funcproto}

Con queste funzioni è possibile selezionare gli argomenti da passare ad una
funzione di stampa indicando direttamente la lista tramite l'argomento
\param{ap}. Per poter far questo ovviamente la lista variabile degli argomenti
dovrà essere trattata come visto in sez.~\ref{sec:proc_variadic}, e dopo
l'esecuzione della funzione l'argomento \param{ap} non sarà più utilizzabile
(in generale dovrebbe essere eseguito un \code{va\_end(ap)} ma in Linux questo
non è necessario).

Come per \func{sprintf} anche per \func{vsprintf} esiste una analoga
\funcd{vsnprintf} che pone un limite sul numero di caratteri che vengono
scritti sulla stringa di destinazione:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{vsnprintf(char *str, size\_t size, const char *format, va\_list ap)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata su un buffer.} 
}

{La funzione ha lo stesso valore di ritorno e gli stessi errori di
  \func{vsprintf}.}
\end{funcproto}

\noindent in modo da evitare possibili \textit{buffer overflow}.


Per eliminare alla radice questi problemi, la \acr{glibc} supporta una
specifica estensione GNU che alloca dinamicamente tutto lo spazio necessario;
l'estensione si attiva al solito definendo \macro{\_GNU\_SOURCE}, le due
funzioni sono \funcd{asprintf} e \funcd{vasprintf}, ed i rispettivi prototipi
sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int asprintf(char **strptr, const char *format, ...)}
\fdecl{int vasprintf(char **strptr, const char *format, va\_list ap)}
\fdesc{Scrive una stringa formattata su un buffer.} 
}

{Le funzioni hanno lo stesso valore di ritorno e gli stessi errori di
  \func{vsprintf}.}
\end{funcproto}


Entrambe le funzioni prendono come argomento \param{strptr} che deve essere
l'indirizzo di un puntatore ad una stringa di caratteri, in cui verrà
restituito (si ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:proc_var_passing} a
proposito dei \textit{value result argument}) l'indirizzo della stringa
allocata automaticamente dalle funzioni. Occorre inoltre ricordarsi di
invocare \func{free} per liberare detto puntatore quando la stringa non serve
più, onde evitare \textit{memory leak}.

% TODO verificare se mettere prototipi di \func{dprintf} e \func{vdprintf}

Infine una ulteriore estensione GNU definisce le due funzioni \funcm{dprintf} e
\funcm{vdprintf}, che prendono un file descriptor al posto dello
\textit{stream}. Altre estensioni permettono di scrivere con caratteri
estesi. Anche queste funzioni, il cui nome è generato dalle precedenti
funzioni aggiungendo una \texttt{w} davanti a \texttt{print}, sono trattate in
dettaglio nella documentazione della \acr{glibc}.

In corrispondenza alla famiglia di funzioni \func{printf} che si usano per
l'output formattato, l'input formattato viene eseguito con le funzioni della
famiglia \func{scanf}; fra queste le tre più importanti sono \funcd{scanf},
\funcd{fscanf} e \funcd{sscanf}, i cui prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int scanf(const char *format, ...)}
\fdesc{Esegue la scansione di dati dallo \textit{standard input}.}
\fdecl{int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...)}
\fdesc{Esegue la scansione di dati da uno \textit{stream}. } 
\fdecl{int sscanf(char *str, const char *format, ...)}
\fdesc{Esegue la scansione di dati da un buffer.} 
}

{La funzione ritorna il numero di elementi assegnati in caso di successo e
  \val{EOF} per un errore o se si raggiunta la fine del file.}
\end{funcproto}

Le funzioni eseguono una scansione della rispettiva fonte di input cercando
una corrispondenza di quanto letto con il formato dei dati specificato da
\param{format}, ed effettuano le relative conversioni memorizzando il
risultato negli argomenti seguenti, il cui numero è variabile e dipende dal
valore di \param{format}. Come per le analoghe funzioni di scrittura esistono
le relative \funcm{vscanf}, \funcm{vfscanf} e \funcm{vsscanf} che usano un
puntatore ad una lista di argomenti. Le funzioni ritornano il numero di
elementi assegnati. Questi possono essere in numero inferiore a quelli
specificati, ed anche zero. Quest'ultimo valore significa che non si è trovata
corrispondenza.

Tutte le funzioni della famiglia delle \func{scanf} vogliono come argomenti i
puntatori alle variabili che dovranno contenere le conversioni; questo è un
primo elemento di disagio in quanto è molto facile dimenticarsi di questa
caratteristica.

Le funzioni leggono i caratteri dallo \textit{stream} (o dalla stringa) di
input ed eseguono un confronto con quanto indicato in \param{format}, la
sintassi di questo argomento è simile a quella usata per l'analogo di
\func{printf}, ma ci sono varie differenze.  Le funzioni di input infatti sono
più orientate verso la lettura di testo libero che verso un input formattato
in campi fissi. Uno spazio in \param{format} corrisponde con un numero
qualunque di caratteri di separazione (che possono essere spazi, tabulatori,
virgole ecc.), mentre caratteri diversi richiedono una corrispondenza
esatta. Le direttive di conversione sono analoghe a quelle di \func{printf} e
si trovano descritte in dettaglio nelle pagine di manuale e nel manuale della
\acr{glibc}.

Le funzioni eseguono la lettura dall'input, scartano i separatori (e gli
eventuali caratteri diversi indicati dalla stringa di formato) effettuando le
conversioni richieste; in caso la corrispondenza fallisca (o la funzione non
sia in grado di effettuare una delle conversioni richieste) la scansione viene
interrotta immediatamente e la funzione ritorna lasciando posizionato lo
\textit{stream} al primo carattere che non corrisponde.

Data la notevole complessità di uso di queste funzioni, che richiedono molta
cura nella definizione delle corrette stringhe di formato e sono facilmente
soggette ad errori, e considerato anche il fatto che è estremamente macchinoso
recuperare in caso di fallimento nelle corrispondenze, l'input formattato non
è molto usato. In genere infatti quando si ha a che fare con un input
relativamente semplice si preferisce usare l'input di linea ed effettuare
scansione e conversione di quanto serve direttamente con una delle funzioni di
conversione delle stringhe; se invece il formato è più complesso diventa più
facile utilizzare uno strumento come \cmd{flex}\footnote{il programma
  \cmd{flex}, è una implementazione libera di \cmd{lex} un generatore di
  analizzatori lessicali. Per i dettagli si può fare riferimento al manuale
  \cite{flex}.} per generare un analizzatore lessicale o 
\cmd{bison}\footnote{il programma \cmd{bison} è un clone del generatore di
  parser \cmd{yacc}, maggiori dettagli possono essere trovati nel relativo
  manuale \cite{bison}.} per generare un parser.



\section{Funzioni avanzate}
\label{sec:file_stream_adv_func}

In questa sezione esamineremo alcune funzioni avanzate che permettono di
eseguire operazioni di basso livello nella gestione degli \textit{stream},
come leggerne gli attributi, controllarne le modalità di bufferizzazione,
gestire in maniera esplicita i lock impliciti presenti ad uso della
programmazione \textit{multi-thread}.


\subsection{Le funzioni di controllo}
\label{sec:file_stream_cntrl}

Al contrario di quanto avviene con i file descriptor, le librerie standard del
C non prevedono nessuna funzione come la \func{fcntl} per il controllo degli
attributi dei file. Però, dato che ogni \textit{stream} si appoggia ad un file
descriptor, si può usare la funzione \funcd{fileno} per ottenere il valore di
quest'ultimo; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fileno(FILE *stream)}
\fdesc{Legge il file descriptor sottostante lo \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna il numero del file descriptor in caso di successo e $-1$
  per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà il valore \errval{EBADF}
  se \param{stream} non è valido.}
\end{funcproto}

In questo modo diventa possibile usare direttamente \func{fcntl} sul file
descriptor sottostante, ma anche se questo permette di accedere agli attributi
del file descriptor sottostante lo \textit{stream}, non ci dà nessuna
informazione riguardo alle proprietà dello \textit{stream} medesimo.  La
\acr{glibc} però supporta alcune estensioni derivate da Solaris, che
permettono di ottenere informazioni utili relative allo \textit{stream}.

Ad esempio in certi casi può essere necessario sapere se un certo
\textit{stream} è accessibile in lettura o scrittura. In genere questa
informazione non è disponibile, e ci si deve ricordare come è stato aperto il
file. La cosa può essere complessa se le operazioni vengono effettuate in una
subroutine, che a questo punto necessiterà di informazioni aggiuntive rispetto
al semplice puntatore allo \textit{stream}. Questo problema può essere risolto
con le due funzioni \funcd{\_\_freadable} e \funcd{\_\_fwritable} i cui
prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio\_ext.h}
\fdecl{int \_\_freadable(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla se uno \textit{stream} consente la lettura.} 
\fdecl{int \_\_fwritable(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla se uno \textit{stream} consente la scrittura.} 
}

{Le funzioni ritornano un valore diverso da $0$ se l'operazione richiesta è
  consentita, non sono previste condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

\noindent che permettono di ottenere questa informazione.

La conoscenza dell'ultima operazione effettuata su uno \textit{stream} aperto
è utile in quanto permette di trarre conclusioni sullo stato del buffer e del
suo contenuto. Altre due funzioni, \funcd{\_\_freading} e \funcd{\_\_fwriting}
servono a tale scopo, il loro prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio\_ext.h}
\fdecl{int \_\_freading(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla l'ultima operazione di lettura.}
\fdecl{int \_\_fwriting(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla l'ultima operazione di scrittura.}
}

{Le funzioni ritornano un valore diverso da $0$ se l'operazione richiesta è
  consentita, non sono previste condizioni di errore.}
\end{funcproto}

La funzione \func{\_\_freading} restituisce un valore diverso da zero
se \param{stream} è aperto in sola lettura o se l'ultima operazione è stata di
lettura mentre \func{\_\_fwriting} restituisce un valore diverso da zero
se \param{stream} è aperto in sola scrittura o se l'ultima operazione è stata
di scrittura.

Le due funzioni permettono di determinare di che tipo è stata l'ultima
operazione eseguita su uno \textit{stream} aperto in lettura/scrittura;
ovviamente se uno \textit{stream} è aperto in sola lettura (o sola scrittura)
la modalità dell'ultima operazione è sempre determinata; l'unica ambiguità è
quando non sono state ancora eseguite operazioni, in questo caso le funzioni
rispondono come se una operazione ci fosse comunque stata.


\subsection{Il controllo della bufferizzazione}
\label{sec:file_buffering_ctrl}

Come accennato in sez.~\ref{sec:file_buffering} le librerie definiscono una
serie di funzioni che permettono di controllare il comportamento degli
\textit{stream}; se non si è specificato nulla, la modalità di buffering viene
decisa autonomamente sulla base del tipo di file sottostante, ed i buffer
vengono allocati automaticamente.

Però una volta che si sia aperto lo \textit{stream} (ma prima di aver compiuto
operazioni su di esso) è possibile intervenire sulle modalità di buffering; la
funzione che permette di controllare la bufferizzazione è \funcd{setvbuf}, il
cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size\_t size)}
\fdesc{Imposta la bufferizzazione dello \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e un altro valore qualunque per
  un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà un valore appropriato.}  
\end{funcproto}

La funzione imposta la bufferizzazione dello \textit{stream} \param{stream}
nella modalità indicata da \param{mode} con uno dei valori di
tab.~\ref{tab:file_stream_buf_mode}, usando \param{buf} come buffer di
lunghezza \param{size} e permette di controllare tutti gli aspetti della
bufferizzazione. L'utente può specificare un buffer da usare al posto di
quello allocato dal sistema passandone alla funzione l'indirizzo
in \param{buf} e la dimensione in \param{size}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
    \begin{tabular}[c]{|l|l|}
      \hline
      \textbf{Valore} & \textbf{Modalità} \\
      \hline
      \hline
      \constd{\_IONBF} & \textit{unbuffered}\\
      \constd{\_IOLBF} & \textit{line buffered}\\
      \constd{\_IOFBF} & \textit{fully buffered}\\
      \hline
    \end{tabular}
    \caption{Valori dell'argomento \param{mode} di \func{setvbuf} 
      per l'impostazione delle modalità di bufferizzazione.}
  \label{tab:file_stream_buf_mode}
\end{table}

Ovviamente se si usa un buffer specificato dall'utente questo deve essere
stato allocato e rimanere disponibile per tutto il tempo in cui si opera sullo
\textit{stream}. In genere conviene allocarlo con \func{malloc} e disallocarlo
dopo la chiusura del file; ma fintanto che il file è usato all'interno di una
funzione, può anche essere usata una variabile automatica. In
\headfile{stdio.h} è definita la costante \constd{BUFSIZ}, che indica le
dimensioni generiche del buffer di uno \textit{stream}, queste vengono usate
dalla funzione \func{setbuf}.  Non è detto però che tale dimensione
corrisponda sempre al valore ottimale (che può variare a seconda del
dispositivo).

Dato che la procedura di allocazione manuale è macchinosa, comporta dei
rischi, come delle scritture accidentali sul buffer, e non assicura la scelta
delle dimensioni ottimali, è sempre meglio lasciare allocare il buffer alle
funzioni di libreria, che sono in grado di farlo in maniera ottimale e
trasparente all'utente (in quanto la deallocazione avviene
automaticamente). Inoltre siccome alcune implementazioni usano parte del
buffer per mantenere delle informazioni di controllo, non è detto che le
dimensioni dello stesso coincidano con quelle su cui viene effettuato l'I/O.

Per evitare che \func{setvbuf} imposti il buffer basta passare un valore
\val{NULL} per \param{buf} e la funzione ignorerà l'argomento \param{size}
usando il buffer allocato automaticamente dal sistema.  Si potrà comunque
modificare la modalità di bufferizzazione, passando in \param{mode} uno degli
opportuni valori elencati in tab.~\ref{tab:file_stream_buf_mode}. Qualora si
specifichi la modalità non bufferizzata i valori di \param{buf} e \param{size}
vengono sempre ignorati.

Oltre a \func{setvbuf} la \acr{glibc} definisce altre tre funzioni per la
gestione della bufferizzazione di uno \textit{stream}: \funcd{setbuf},
\funcd{setbuffer} e \funcd{setlinebuf}, i rispettivi prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{void setbuf(FILE *stream, char *buf)}
\fdecl{void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size\_t size)}
\fdesc{Impostano il buffer per uno \textit{stream}.} 
\fdecl{void setlinebuf(FILE *stream)}
\fdesc{Porta uno \textit{stream} in modalità \textit{line buffered}.}
}

{Le funzioni non ritornano niente e non hanno condizioni di errore.}  
\end{funcproto}


La funzione \func{setbuf} disabilita la bufferizzazione se \param{buf} è
\val{NULL}, altrimenti usa \param{buf} come buffer di dimensione
\const{BUFSIZ} in modalità \textit{fully buffered}, mentre \func{setbuffer}
disabilita la bufferizzazione se \param{buf} è \val{NULL}, altrimenti
usa \param{buf} come buffer di dimensione \param{size} in modalità
\textit{fully buffered}.  Tutte queste funzioni sono realizzate con opportune
chiamate a \func{setvbuf} e sono definite solo per compatibilità con le
vecchie librerie BSD, pertanto non è il caso di usarle se non per la
portabilità su vecchi sistemi.

Infine la \acr{glibc} provvede le funzioni non standard, anche queste
originarie di Solaris, \funcd{\_\_flbf} e \funcd{\_\_fbufsize} che permettono
di leggere le proprietà di bufferizzazione di uno \textit{stream}; i cui
prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio\_ext.h}
\fdecl{size\_t \_\_fbufsize(FILE *stream)}
\fdesc{Restituisce le dimensioni del buffer di uno \textit{stream}.}
\fdecl{int \_\_flbf(FILE *stream)}
\fdesc{Controlla la modalità di bufferizzazione di uno \textit{stream}.}
}

{Le funzioni ritornano rispettivamente la dimensione del buffer o un valore
  non nullo se lo \textit{stream} è in modalità \textit{line-buffered}, non
  sono previste condizioni di errore.}
\end{funcproto}

Come già accennato, indipendentemente dalla modalità di bufferizzazione
scelta, si può forzare lo scarico dei dati sul file con la funzione
\funcd{fflush}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fflush(FILE *stream)}
\fdesc{Forza la scrittura dei dati bufferizzati di uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e \val{EOF} per un errore, nel
  qual caso \var{errno} assumerà il valore \errval{EBADF} se \param{stream}
  non è aperto o non è aperto in scrittura, o ad uno degli errori di
  \func{write}.}
\end{funcproto}

Se \param{stream} è \val{NULL} lo scarico dei dati è forzato per tutti gli
\textit{stream} aperti. Esistono però circostanze, ad esempio quando si vuole
essere sicuri che sia stato eseguito tutto l'output su terminale, in cui serve
poter effettuare lo scarico dei dati solo per gli \textit{stream} in modalità
\textit{line buffered}. Per fare questo la \acr{glibc} supporta una
estensione di Solaris, la funzione \funcd{\_flushlbf}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio-ext.h}
\fdecl{void \_flushlbf(void)}
\fdesc{Forza la scrittura dei dati bufferizzati degli \textit{stream} in
  modalità \textit{line buffered}.} 
}

{La funzione non ritorna nulla e non presenta condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

Si ricordi comunque che lo scarico dei dati dai buffer effettuato da queste
funzioni non comporta la scrittura di questi su disco; se si vuole che il
kernel dia effettivamente avvio alle operazioni di scrittura su disco occorre
usare \func{sync} o \func{fsync} (si veda~sez.~\ref{sec:file_sync}).

Infine esistono anche circostanze in cui si vuole scartare tutto l'output
pendente; per questo si può usare \funcd{fpurge}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int fpurge(FILE *stream)}
\fdesc{Cancella i buffer di uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e \val{EOF} per un errore.}  
\end{funcproto}

La funzione scarta tutti i dati non ancora scritti (se il file è aperto in
scrittura), e tutto l'input non ancora letto (se è aperto in lettura),
compresi gli eventuali caratteri rimandati indietro con \func{ungetc}.


\subsection{Gli \textit{stream} e i \textit{thread}}
\label{sec:file_stream_thread}


Gli \textit{stream} possono essere usati in applicazioni \textit{multi-thread}
allo stesso modo in cui sono usati nelle applicazioni normali, ma si deve
essere consapevoli delle possibili complicazioni anche quando non si usano i
\textit{thread}, dato che l'implementazione delle librerie è influenzata
pesantemente dalle richieste necessarie per garantirne l'uso con i
\textit{thread}.

Lo standard POSIX richiede che le operazioni sui file siano atomiche rispetto
ai \textit{thread}, per questo le operazioni sui buffer effettuate dalle
funzioni di libreria durante la lettura e la scrittura di uno \textit{stream}
devono essere opportunamente protette, in quanto il sistema assicura
l'atomicità solo per le \textit{system call}. Questo viene fatto associando ad
ogni \textit{stream} un opportuno blocco che deve essere implicitamente
acquisito prima dell'esecuzione di qualunque operazione.

Ci sono comunque situazioni in cui questo non basta, come quando un
\textit{thread} necessita di compiere più di una operazione sullo
\textit{stream} atomicamente. Per questo motivo le librerie provvedono anche
le funzioni \funcd{flockfile} e \funcd{funlockfile} che permettono la gestione
esplicita dei blocchi sugli \textit{stream}. Esse sono disponibili definendo
\macrod{\_POSIX\_THREAD\_SAFE\_FUNCTIONS} ed i loro prototipi sono:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{void flockfile(FILE *stream)}
\fdesc{Acquisisce il lock su uno \textit{stream}.} 
\fdecl{void funlockfile(FILE *stream)}
\fdesc{Rilascia  il lock su uno \textit{stream}.} 
}
{Le funzioni non ritornano nulla e non sono previste condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

La funzione \func{flockfile} esegue l'acquisizione del lock dello
\textit{stream} \param{stream}, bloccandosi se questo risulta non è
disponibile, mentre \func{funlockfile} rilascia un lock che si è
precedentemente acquisito.

Una terza funzione, che serve a provare ad acquisire un lock senza bloccarsi
qualora non sia possibile, è \funcd{ftrylockfile}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int ftrylockfile(FILE *stream)}
\fdesc{Tenta l'acquisizione del lock di uno \textit{stream}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di acquisizione del lock ed un altro valore
  qualunque altrimenti, non sono previste condizioni di errore.}
\end{funcproto}

Con queste funzioni diventa possibile acquisire un blocco ed eseguire tutte le
operazioni volute, per poi rilasciarlo. Ma, vista la complessità delle
strutture di dati coinvolte, le operazioni di blocco non sono del tutto
indolori, e quando il locking dello \textit{stream} non è necessario (come in
tutti i programmi che non usano i \textit{thread}), tutta la procedura può
comportare dei costi pesanti in termini di prestazioni. 

Per questo motivo alle usuali funzioni di I/O non formattato sono associate
delle ulteriori versioni, caratterizzate dall'aggiunta del suffisso
\code{\_unlocked}, che possono essere usate quando il locking non
serve\footnote{in certi casi dette funzioni possono essere usate, visto che
  sono molto più efficienti, anche in caso di necessità di locking, una volta
  che questo sia stato acquisito manualmente.}  con prestazioni molto più
elevate, dato che spesso queste versioni (come accade per \func{getc} e
\func{putc}) sono realizzate come macro.

La sostituzione di tutte le funzioni di I/O con le relative versioni
\code{\_unlocked} in un programma che non usa i \textit{thread} è però un
lavoro abbastanza noioso. Per questo motivo la \acr{glibc} fornisce al
programmatore pigro un'altra via, anche questa mutuata da estensioni
introdotte in Solaris, da poter utilizzare per disabilitare in blocco il
locking degli \textit{stream}: l'uso della funzione \funcd{\_\_fsetlocking},
il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio\_ext.h}
\fdecl{int \_\_fsetlocking(FILE *stream, int type)}
\fdesc{Specifica se abilitare il locking su uno \textit{stream}.}
}

{La funzione ritorna stato di locking interno dello \textit{stream}, non sono
  previste condizioni di errore.}  
\end{funcproto}

La funzione imposta o legge lo stato della modalità in cui le operazioni di
I/O su \param{stream} vengono effettuate rispetto all'acquisizione implicita
del locking a seconda del valore specificato con \param{type}, che può
assumere uno dei valori indicati in tab.~\ref{tab:file_fsetlocking_type}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
    \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
      \hline
      \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
      \hline
      \hline
      \constd{FSETLOCKING\_INTERNAL}& Lo \textit{stream} userà da ora in poi il
                                      blocco implicito predefinito.\\
      \constd{FSETLOCKING\_BYCALLER}& Al ritorno della funzione sarà l'utente a
                                      dover gestire da solo il locking dello
                                      \textit{stream}.\\
      \constd{FSETLOCKING\_QUERY}   & Restituisce lo stato corrente della
                                      modalità di blocco dello
                                      \textit{stream}.\\
      \hline
    \end{tabular}
    \caption{Valori dell'argomento \param{type} di \func{\_\_fsetlocking} 
      per l'impostazione delle modalità di bufferizzazione.}
  \label{tab:file_fsetlocking_type}
\end{table}

La funzione, se usata con \const{FSETLOCKING\_QUERY}, non modifica la modalità
di operazione ma restituisce lo stato di locking interno dello \textit{stream}
con uno dei valori \const{FSETLOCKING\_INTERNAL} o
\const{FSETLOCKING\_BYCALLER}.

% TODO trattare \func{clearerr\_unlocked} 

Per tutte le funzioni che abbiamo trattato in
sez.~\ref{sec:files_std_interface} che eseguono I/O sugli \textit{stream}
esiste una versione ``\texttt{\_unlocked}'',\footnote{non ne esistono per
  funzioni di informazione come \func{ftell} dato che queste non hanno bisogno
  di un blocco, l'elenco completo delle funzioni ``\texttt{\_unlocked}''
  comunque è disponibile nella pagina di manuale delle stesse, accessibile con
  \texttt{man unlocked\_stdio}. } ma nello standard POSIX sono previste solo
\funcm{getc\_unlocked}, \funcm{getchar\_unlocked}, \funcm{putc\_unlocked} e
\funcm{putchar\_unlocked}, tutte le altre pur essendo state aggiunte come
estensioni dalla \acr{glibc}, non sono standard, anche se sono presenti anche
su altri sistemi unix; in generale comuqnue l'uso di queste funzioni è
sconsigliato e non le tratteremo esplicitamente.


%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: 

% LocalWords:  stream cap system call kernel Ritchie glibc descriptor Stevens
% LocalWords:  buf read write filesystem st blksize stat sez l'header stdio BSD
% LocalWords:  nell'header stdin shell stdout stderr error freopen flush line
% LocalWords:  unbuffered buffered newline fully SVr fopen fdopen POSIX const
% LocalWords:  char path int fildes NULL errno malloc fcntl fclose fflush tab
% LocalWords:  dup fifo socket append EXCL ccs IRUSR IWUSR IRGRP IWGRP inode fd
% LocalWords:  IROTH IWOTH umask fseek fsetpos rewind SEEK CUR EOF EBADF close
% LocalWords:  sync fcloseall void stdlib of feof ferror clearerr ws VFS table
% LocalWords:  unlocked fread fwrite size ptr nmemb nelem gcc padding point str
% LocalWords:  lock thread fgetc getc getchar dell'overhead unsigned ap process
% LocalWords:  getwc fgetwc getwchar wint wchar WEOF putc fputc putchar  struct
% LocalWords:  SVID getw putw parsing peeking ahead ungetc gets fgets string Di
% LocalWords:  overflow Aleph stack fputs puts fgetws fputws getline ssize leak
% LocalWords:  realloc value result argument memory getdelim delim printf short
% LocalWords:  fprintf sprintf format snprintf variadic long double intmax list
% LocalWords:  uintmax ptrdiff vprintf vfprintf vsprintf vsnprintf asprintf lex
% LocalWords:  vasprintf strptr dprintf vdprintf print scanf fscanf sscanf flex
% LocalWords:  vscanf vfscanf vsscanf bison parser yacc like off VMS whence pos
% LocalWords:  lseek ftell fgetpos fpos fseeko ftello fileno Solaris freadable
% LocalWords:  fwritable ext freading fwriting buffering setvbuf BUFSIZ setbuf
% LocalWords:  IONBF IOLBF IOFBF setbuffer setlinebuf flbf fbufsize flushlbf hh
% LocalWords:  fsync fpurge flockfile ftrylockfile funlockfile  files fig flags
% LocalWords:  locking fsetlocking type virtual operation dentry unistd sys AT
% LocalWords:  modification hole functions pathname EEXIST CREAT EINTR attack
% LocalWords:  EISDIR EFBIG EOVERFLOW ELOOP NOFOLLOW ENODEV ENOENT ENOTDIR fork
% LocalWords:  EMFILE ENAMETOOLONG ENFILE ENOMEM ENOSPC EROFS exec access RDWR
% LocalWords:  RDONLY ioctl AND ACCMODE creation Denial Service DoS opendir NFS
% LocalWords:  SOURCE LARGEFILE BITS NOCTTY TRUNC SHLOCK shared EXLOCK race SGI
% LocalWords:  exclusive condition change ASYNC SIGIO CLOEXEC DIRECT NDELAY EIO
% LocalWords:  DSYNC FASYNC IRIX FreeBSD EINVAL client RSYNC creat filedes INCR
% LocalWords:  behind shutdown ESPIPE XTND truncate fallocate count EAGAIN log
% LocalWords:  timerfd Specification pwrite pread define XOPEN EPIPE SIGPIPE at
% LocalWords:  caching cache update bdflush fdatasync fstat oldfd newfd DUPFD
% LocalWords:  openat mkdirat mkdir proc ATFILE dirfd FDCWD utimes lutimes uid
% LocalWords:  utimensat faccessat fchmodat chmod fchownat chown lchown fstatat
% LocalWords:  lstat linkat mknodat mknod readlinkat readlink renameat rename
% LocalWords:  symlinkat symlink unlinkat unlink rmdir mkfifoat mkfifo owner is
% LocalWords:  gid group FOLLOW REMOVEDIR cmd arg flock SETFD GETFD GETFL SETFL
% LocalWords:  GETLK SETLK SETLKW GETOWN PID Signal SIGURG SETOWN GETSIG SETSIG
% LocalWords:  sigaction SIGINFO siginfo SETLEASE lease GETLEASE NOTIFY request
% LocalWords:  everything framebuffer ENOTTY argp CDROM lsattr chattr magic TID
% LocalWords:  number FIOCLEX FIONCLEX FIOASYNC FIONBIO FIOSETOWN FIOGETOWN pid
% LocalWords:  FIONREAD epoll FIOQSIZE side effects SAFE BYCALLER QUERY EACCES
% LocalWords:  EBUSY OpenBSD syncfs futimes timespec only init ESRCH kill NTPL
% LocalWords:  ENXIO  NONBLOCK WRONLY EPERM NOATIME ETXTBSY EWOULDBLOCK PGRP SZ
% LocalWords:  EFAULT capabilities GETPIPE SETPIPE RESOURCE NFSv InitFile stx
% LocalWords:  Documentation Urlich Drepper futimesat times FullWrite major
% LocalWords:  futimens fs Tread TMPFILE EDQUOT extN Minix UDF XFS mask all'
% LocalWords:  shmem Btrfs ubifs tmpfile fchmod fchown fsetxattr fchdir PF
% LocalWords:  fstatfs SIGTTIN EDESTADDRREQ datagram connect seal pag l'I INO
% LocalWords:  dirty execveat execve scandirat statx AUTOMOUNT automount DAC
% LocalWords:  wrapper EMPTY olddirfd oldpath newdirfd newpath capability ino
% LocalWords:  SEARCH flink choot oldirfd NOREPLACE EXCHANGE WHITEOUT union
% LocalWords:  renamat syscall whiteout overlay filesytem Live nell' sull'
% LocalWords:  statbuf statxbuf IFMT nlink atime mtime fexecve argv envp GET
% LocalWords:  blocks STATS btime RESERVED ctime ATTR dev ENOSYS locks SEALS
% LocalWords:  timestamp attributes COMPRESSED immutable NODUMP HINT hints
% LocalWords:  dump ENCRYPTED rdev all'I dell'I uint cancellation mmap

%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: 

%  LocalWords:  mapping