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\chapter{I file: l'interfaccia standard Unix}
\label{cha:file_unix_interface}


Esamineremo in questo capitolo la prima delle due interfacce di programmazione
per i file, quella dei \textit{file descriptor}\index{file!descriptor},
nativa di Unix. Questa è l'interfaccia di basso livello provvista direttamente
dalle system call, che non prevede funzionalità evolute come la
bufferizzazione o funzioni di lettura o scrittura formattata, e sulla quale è
costruita anche l'interfaccia definita dallo standard ANSI C che affronteremo
al cap.~\ref{cha:files_std_interface}.



\section{L'architettura di base}
\label{sec:file_base_arch}

In questa sezione faremo una breve introduzione sull'architettura su cui è
basata dell'interfaccia dei \textit{file descriptor}, che, sia pure con
differenze nella realizzazione pratica, resta sostanzialmente la stessa in
tutte le implementazione di un sistema unix-like.


\subsection{L'architettura dei \textit{file descriptor}}
\label{sec:file_fd}

\index{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 (si ricordi quanto visto in sez.~\ref{sec:file_vfs_work}). Questo si
fa aprendo il file con la funzione \func{open} che provvederà a localizzare
l'inode\index{inode} del file e inizializzare i puntatori che rendono
disponibili le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
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 intero non
negativo, chiamato appunto \textit{file descriptor}.
Quando un file viene aperto la funzione \func{open} restituisce questo numero,
tutte le ulteriori operazioni saranno compiute specificando questo stesso
valore come argomento alle varie funzioni dell'interfaccia.

Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come il
kernel gestisce l'interazione fra processi e file.  Il kernel mantiene sempre
un elenco dei processi attivi nella cosiddetta \textit{process table} ed un
elenco dei file aperti nella \textit{file table}.

La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
processo attivo nel sistema. In Linux ciascuna voce è costituita da una
struttura di tipo \struct{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 \struct{files\_struct}, in cui
sono contenute le informazioni relative ai file che il processo ha aperto, ed
in particolare:
\begin{itemize*}
\item i flag relativi ai file descriptor.
\item il numero di file aperti.
\item una tabella che contiene un puntatore alla relativa voce nella
  \textit{file table} per ogni file aperto.
\end{itemize*}
il \textit{file descriptor} in sostanza è l'intero positivo che indicizza
quest'ultima tabella.

La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
che è stato aperto nel sistema. In Linux è costituita da strutture di tipo
\struct{file}; in ciascuna di esse sono tenute varie informazioni relative al
file, fra cui:
\begin{itemize*}
\item lo stato del file (nel campo \var{f\_flags}).
\item il valore della posizione corrente (l'\textit{offset}) nel file (nel
  campo \var{f\_pos}).
\item un puntatore all'inode\index{inode}\footnote{nel kernel 2.4.x si è in
    realtà passati ad un puntatore ad una struttura \struct{dentry} che punta a
    sua volta all'inode\index{inode} passando per la nuova struttura del VFS.}
  del file.
%\item un puntatore alla tabella delle funzioni \footnote{la struttura
%    \var{f\_op} descritta in sez.~\ref{sec:file_vfs_work}} che si possono usare
%  sul file.
\end{itemize*}

In fig.~\ref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema in cui è illustrata
questa architettura, ed in cui si sono evidenziate le interrelazioni fra le
varie strutture di dati sulla quale essa è basata.
Ritorneremo su questo schema più volte, dato che esso è fondamentale per
capire i dettagli del funzionamento dell'interfaccia dei \textit{file
  descriptor}.  
\index{file!descriptor|)}

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=13cm]{img/procfile}
  \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
  l'interfaccia dei \textit{file descriptor}.}
  \label{fig:file_proc_file}
\end{figure}



\subsection{I file standard}
\label{sec:file_std_descr}

Come accennato i \textit{file descriptor} non sono altro che un indice nella
tabella dei file aperti di ciascun processo; per questo motivo essi vengono
assegnati in successione tutte le volte che si apre un nuovo file (se non ne è
stato chiuso nessuno in precedenza).

In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
processo viene lanciato dalla shell con almeno tre file aperti. Questi, per
quanto appena detto, avranno come \textit{file
  descriptor}\index{file!descriptor} i valori 0, 1 e 2.  Benché questa sia
soltanto una convenzione, essa è seguita dalla gran parte delle applicazioni,
e non aderirvi potrebbe portare a gravi problemi di interoperabilità.

Il primo file è sempre associato al cosiddetto \textit{standard input}; è cioè
il file da cui il processo si aspetta di ricevere i dati in ingresso. Il
secondo file è il cosiddetto \textit{standard output}, cioè quello su cui ci
si aspetta debbano essere inviati i dati in uscita. Il terzo è lo
\textit{standard error}, su cui viene inviata l'uscita relativa agli errori.
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{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \const{STDIN\_FILENO}  & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
      input} \\
    \const{STDOUT\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
      output} \\
    \const{STDERR\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
      error}\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Costanti definite in \file{unistd.h} per i file standard aperti 
    alla creazione di ogni processo.}
  \label{tab:file_std_files}
\end{table}

In fig.~\ref{fig:file_proc_file} si è rappresentata una situazione diversa,
facendo riferimento ad un programma in cui lo \textit{standard input} è
associato ad un file mentre lo \textit{standard output} e lo \textit{standard
  error} sono entrambi associati ad un altro file (e quindi utilizzano lo
stesso inode\index{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 \struct{file\_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}).



\section{Le funzioni base}
\label{sec:file_base_func}

L'interfaccia standard Unix per l'input/output sui file è basata su cinque
funzioni fondamentali: \func{open}, \func{read}, \func{write}, \func{lseek} e
\func{close}, usate rispettivamente per aprire, leggere, scrivere, spostarsi e
chiudere un file.  La gran parte delle operazioni sui file si effettua
attraverso queste cinque funzioni, esse vengono chiamate anche funzioni di I/O
non bufferizzato dato che effettuano le operazioni di lettura e scrittura
usando direttamente le system call del kernel.


\subsection{La funzione \func{open}}
\label{sec:file_open}

La funzione \funcd{open} è la funzione fondamentale per accedere ai file, ed è
quella che crea l'associazione fra un
\index{\textit{pathname}}\textit{pathname} ed un file descriptor, il suo
prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h}
  \headdecl{sys/stat.h}
  \headdecl{fcntl.h}
  \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
  \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
  Apre il file indicato da \param{pathname} nella modalità indicata da
  \param{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
  specificati da \param{mode}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in
    caso di errore. In questo caso la variabile \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{EISDIR}] \param{pathname} indica una directory e si è tentato
    l'accesso in scrittura. 
  \item[\errcode{ENOTDIR}] si è specificato \const{O\_DIRECTORY} e
    \param{pathname} non è una directory.
  \item[\errcode{ENXIO}] si sono impostati \const{O\_NOBLOCK} o
    \const{O\_WRONLY} ed il file è una fifo che non viene letta da nessun
    processo o \param{pathname} è un file di dispositivo ma il dispositivo è
    assente.
  \item[\errcode{ENODEV}] \param{pathname} si riferisce a un file di
    dispositivo che non esiste.
  \item[\errcode{ETXTBSY}] si è cercato di accedere in scrittura all'immagine
    di un programma in esecuzione.
  \item[\errcode{ELOOP}] si sono incontrati troppi link simbolici nel
    risolvere il \textit{pathname} o si è indicato \const{O\_NOFOLLOW} e
    \param{pathname} è un link simbolico.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EACCES}, \errval{ENAMETOOLONG}, \errval{ENOENT},
  \errval{EROFS}, \errval{EFAULT}, \errval{ENOSPC}, \errval{ENOMEM},
  \errval{EMFILE} e \errval{ENFILE}.}
\end{functions}

La funzione apre il file, usando il primo file descriptor libero, e crea
l'opportuna voce (cioè la struttura \struct{file}) nella \textit{file table}.
Viene sempre restituito come valore di ritorno il file descriptor con il
valore più basso disponibile.

\begin{table}[!htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{12cm}|}
    \hline
    \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
    \hline
    \hline % modalità di accesso al file
    \const{O\_RDONLY} & apre il file in sola lettura, le \acr{glibc}
                        definiscono anche \const{O\_READ} come sinonimo. \\
    \const{O\_WRONLY} & apre il file in sola scrittura, le \acr{glibc}
                        definiscono anche \const{O\_WRITE} come sinonimo. \\
    \const{O\_RDWR} & apre il file sia in lettura che in scrittura. \\
    \hline % modalità di apertura del file
    \hline
    \const{O\_CREAT} & se il file non esiste verrà creato, con le regole di
                       titolarità del file viste in
                       sez.~\ref{sec:file_ownership}. Con questa opzione
                       l'argomento \param{mode} deve essere specificato. \\
    \const{O\_EXCL}  & usato in congiunzione con \const{O\_CREAT} fa sì che
                       la precedente esistenza del file diventi un
                       errore\protect\footnotemark\ che fa fallire
                       \func{open} con \errcode{EEXIST}. \\ 
    \const{O\_NONBLOCK}& apre il file in modalità non bloccante. Questo
                       valore specifica anche una modalità di operazione (vedi
                       sotto), e comporta che \func{open} ritorni
                       immediatamente (l'opzione ha senso solo per le fifo,
                       torneremo questo in sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}). \\ 
    \const{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}). \\ 
    \const{O\_SHLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno shared lock (vedi
                        sez.~\ref{sec:file_locking}) sul file. Non è
                        disponibile in Linux. \\ 
    \const{O\_EXLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno lock esclusivo (vedi
                        sez.~\ref{sec:file_locking}) sul file. Non è
                        disponibile in Linux. \\ 
    \const{O\_TRUNC}  & se il file esiste ed è un file di dati e la modalità di
                        apertura consente la scrittura, allora la sua
                        lunghezza verrà troncata a zero. Se il file è un
                        terminale o una fifo il flag verrà ignorato, negli 
                        altri casi il comportamento non è specificato. \\
    \const{O\_NOFOLLOW}&se \param{pathname} è un link simbolico la chiamata
                        fallisce. Questa è un'estensione BSD aggiunta in Linux
                        dal kernel 2.1.126. Nelle versioni precedenti i link
                        simbolici sono sempre seguiti, e questa opzione è
                        ignorata. \\
    \const{O\_DIRECTORY}& se \param{pathname} non è una directory la chiamata
                        fallisce. Questo flag è specifico di Linux ed è stato
                        introdotto con il kernel 2.1.126 per evitare dei 
                        \textit{DoS}\index{DoS}\protect\footnotemark\ quando  
                        \func{opendir} viene chiamata su una fifo o su un
                        device di unità a nastri, non deve essere utilizzato
                        al di fuori dell'implementazione di \func{opendir}. \\
    \const{O\_LARGEFILE}& nel caso di sistemi a 32 bit che supportano file di
                        grandi dimensioni consente di aprire file le cui
                        dimensioni non possono essere rappresentate da numeri
                        a 31 bit. \\
    \hline
    \hline  % modalità di operazione col file
    \const{O\_APPEND} & il file viene aperto in append mode. Prima di ciascuna
                        scrittura la posizione corrente viene sempre impostata
                        alla fine del file. Con NFS si può avere una
                        corruzione del file se più di un processo scrive allo
                        stesso tempo.\footnotemark\\ 
    \const{O\_NONBLOCK}&il file viene aperto in modalità non bloccante per
                        le operazioni di I/O (che tratteremo in
                        sez.~\ref{sec:file_noblocking}): questo significa il
                        fallimento di \func{read} in assenza di dati da
                        leggere e quello di \func{write} in caso di
                        impossibilità di scrivere immediatamente. Questa
                        modalità ha senso solo per le fifo e per alcuni file
                        di dispositivo. \\ 
    \const{O\_NDELAY} & in Linux\footnotemark\ è sinonimo di 
                        \const{O\_NONBLOCK}.\\
    \const{O\_ASYNC} &  apre il file per l'I/O in modalità asincrona (vedi
                        sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}). Quando è
                        impostato viene generato il segnale \const{SIGIO}
                        tutte le volte che sono disponibili dati in input
                        sul file. \\  
    \const{O\_SYNC} &   apre il file per l'input/output sincrono: ogni
                        \func{write} bloccherà fino al completamento della
                        scrittura di tutti i dati sull'hardware sottostante.\\ 
    \const{O\_FSYNC} &  sinonimo di \const{O\_SYNC}, usato da BSD. \\
    \const{O\_DSYNC} &  richiede una variante di I/O sincorno definita nello
                        standard POSIX; definita a partire dal kernel 2.1.130
                        come sinonimo di \const{O\_SYNC}. \\ 
    \const{O\_RSYNC} &  richiede una variante di I/O sincorno definita nello
                        standard POSIX; definita a partire dal kernel 2.1.130
                        come sinonimo di \const{O\_SYNC}. \\
    \const{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.\\
    \const{O\_DIRECT} & esegue l'I/O direttamente dai buffer in user space, ed
                        in maniera sincrona, in modo da scavalcare i
                        meccanismi di caching del kernel. In gebere questo
                        peggiora le prestazioni tranne per casi speciali in
                        cui sono le applicazioni\footnotemark a gestire il
                        caching. Per i kernel della serie 2.4 si deve
                        garantire che i buffer in user space siano allineati
                        alle dimensioni dei blocchi del filesystem; per il
                        kernel 2.6 basta che siano allineati a multipli di 512
                        byte.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori e significato dei vari bit del \textit{file status flag}.}
  \label{tab:file_open_flags}
\end{table}

\footnotetext[2]{la pagina di manuale di \func{open} segnala che questa
  opzione è difettosa su NFS, e che i programmi che la usano per stabilire un
  \textsl{file di lock}\index{file!di lock} possono incorrere in una race
  condition\index{\textit{race~condition}}.  Si consiglia come alternativa di
  usare un file con un nome univoco e la funzione \func{link} per verificarne
  l'esistenza (vedi sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).}

\footnotetext[3]{\textit{Denial of Service}\index{DoS}, 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.}

\footnotetext[4]{il problema è che NFS non supporta la scrittura in append, ed
  il kernel deve simularla, ma questo comporta la possibilità di una race
  condition, vedi sez.~\ref{sec:file_atomic}.}

\footnotetext[5]{l'opzione 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
  zero da parte di \func{read} ha il significato di una end-of-file.}

\footnotetext[6]{l'opzione è stata introdotta dalla SGI in IRIX, e serve
  sostanzialmente a permettere ad alcuni programmi (in genere database) la
  gestione diretta della bufferizzazione dell'I/O in quanto essi sono in grado
  di ottimizzarla al meglio per le loro prestazioni; l'opzione è presente
  anche in FreeBSD, senza limiti di allineamento dei buffer. In Linux è stata
  introdotta con il kernel 2.4.10, le versioni precedenti la ignorano.}


Questa caratteristica permette di prevedere qual è il valore del file
descriptor che si otterrà al ritorno di \func{open}, e viene talvolta usata da
alcune applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard
visti in sez.~\ref{sec:file_std_descr}: se ad esempio si chiude lo standard
input e si apre subito dopo un nuovo file questo diventerà il nuovo standard
input (avrà cioè il file descriptor 0).  

Il nuovo file descriptor non è condiviso con nessun altro processo (torneremo
sulla condivisione dei file, in genere accessibile dopo una \func{fork}, in
sez.~\ref{sec:file_sharing}) ed è impostato per restare aperto attraverso una
\func{exec} (come accennato in sez.~\ref{sec:proc_exec}); l'offset è impostato
all'inizio del file.

L'argomento \param{mode} indica i permessi con cui il file viene creato; 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 filtrati dal valore di
\var{umask} (vedi sez.~\ref{sec:file_umask}) per il processo.

La funzione prevede diverse opzioni, che vengono specificate usando vari bit
dell'argomento \param{flags}.  Alcuni di questi bit vanno anche a costituire
il flag di stato del file (o \textit{file status flag}), che è mantenuto nel
campo \var{f\_flags} della struttura \struct{file} (al solito si veda lo schema
di fig.~\ref{fig:file_proc_file}).  Essi sono divisi in tre categorie
principali:
\begin{itemize*}
\item \textsl{i bit delle modalità di accesso}: specificano con quale modalità
  si accederà al file: i valori possibili sono lettura, scrittura o
  lettura/scrittura.  Uno di questi bit deve essere sempre specificato quando
  si apre un file.  Vengono impostati alla chiamata da \func{open}, e possono
  essere riletti con \func{fcntl} (fanno parte del \textit{file status flag}),
  ma non possono essere modificati.
\item \textsl{i bit delle modalità di apertura}: permettono di specificare
  alcune delle caratteristiche del comportamento di \func{open} quando viene
  eseguita. Hanno effetto solo al momento della chiamata della funzione e non
  sono memorizzati né possono essere riletti.
\item \textsl{i bit delle modalità di operazione}: permettono di specificare
  alcune caratteristiche del comportamento delle future operazioni sul file
  (come \func{read} o \func{write}). Anch'essi fan parte del \textit{file
    status flag}. Il loro valore è impostato alla chiamata di \func{open}, ma
  possono essere riletti e modificati (insieme alle caratteristiche operative
  che controllano) con una \func{fcntl}.
\end{itemize*}

In tab.~\ref{tab:file_open_flags} sono riportate, ordinate e divise fra loro
secondo le tre modalità appena elencate, le costanti mnemoniche associate a
ciascuno di questi bit. Dette costanti possono essere combinate fra loro con
un OR aritmetico per costruire il valore (in forma di maschera binaria)
dell'argomento \param{flags} da passare alla \func{open}. I due flag
\const{O\_NOFOLLOW} e \const{O\_DIRECTORY} sono estensioni specifiche di
Linux, e deve essere definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} per poterli
usare.

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 system call apposita,
\funcd{creat}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{fcntl.h}
  {int creat(const char *pathname, mode\_t mode)}
  Crea un nuovo file vuoto, con i permessi specificati da \param{mode}. È del
  tutto equivalente a \code{open(filedes, O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)}. 
\end{prototype}
\noindent adesso questa funzione resta solo per compatibilità con i vecchi 
programmi.


\subsection{La funzione \func{close}}
\label{sec:file_close}

La funzione \funcd{close} permette di chiudere un file, in questo modo il file
descriptor ritorna disponibile; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int close(int fd)}
  Chiude il descrittore \param{fd}. 
  
  \bodydesc{La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 in caso di errore,
    con \var{errno} che assume i 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}.}
\end{prototype}

La chiusura di un file rilascia ogni blocco (il \textit{file
  locking}\index{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) ad un file aperto, tutte le risorse nella
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 anche tutti i suoi file descriptor
vengono chiusi, molti programmi sfruttano questa caratteristica e non usano
esplicitamente \func{close}. In genere comunque chiudere un file senza
controllarne lo stato di uscita è errore; infatti molti filesystem
implementano la tecnica del \textit{write-behind}, per cui una \func{write}
può avere successo anche se i dati non sono stati scritti, un eventuale errore
di I/O allora può sfuggire, ma verrà riportato alla chiusura 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 il
\emph{flush} 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 cui l'abitudine
di ripetere tre volte il comando prima di eseguire lo shutdown).


\subsection{La funzione \func{lseek}}
\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 \struct{file}) espressa da un numero intero
positivo come 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 \const{O\_APPEND}) questa
posizione viene impostata a zero all'apertura del file. È possibile impostarla
ad un valore qualsiasi con la funzione \funcd{lseek}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h}
  \headdecl{unistd.h}
  \funcdecl{off\_t lseek(int fd, off\_t offset, int whence)}
  Imposta la posizione attuale nel file. 
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il valore della posizione corrente in caso di
    successo e -1 in caso di errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei
    valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{ESPIPE}] \param{fd} è una pipe, un socket\index{socket} o una
    fifo.
    \item[\errcode{EINVAL}] \param{whence} non è un valore valido.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}.}
\end{functions}

La nuova posizione è impostata usando il valore specificato da \param{offset},
sommato al riferimento dato da \param{whence}; quest'ultimo può assumere i
seguenti valori\footnote{per compatibilità con alcune vecchie notazioni
  questi valori possono essere rimpiazzati rispettivamente con 0, 1 e 2 o con
  \const{L\_SET}, \const{L\_INCR} e \const{L\_XTND}.}:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\const{SEEK\_SET}] si fa riferimento all'inizio del file: il valore
  (sempre positivo) di \param{offset} indica direttamente la nuova posizione
  corrente.
\item[\const{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.
\item[\const{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.
\end{basedescript}

Come accennato in sez.~\ref{sec:file_file_size} con \func{lseek} è possibile
impostare la posizione corrente anche oltre la fine del file, e alla
successiva scrittura il file sarà esteso. La chiamata non causa nessun accesso
al file, si limita a modificare la posizione corrente (cioè il valore
\var{f\_pos} in \param{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 chiamando la funzione con
\code{lseek(fd, 0, SEEK\_CUR)}.

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}
\index{\textit{race~condition}}, vedi sez.~\ref{sec:file_atomic}).

Non tutti i file supportano la capacità di eseguire una \func{lseek}, in
questo caso la funzione ritorna l'errore \errcode{EPIPE}. 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. Infine alcuni file speciali, ad
esempio \file{/dev/null}, non causano un errore ma restituiscono un valore
indefinito.


\subsection{La funzione \func{read}}
\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 \funcd{read}, il cui
prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t read(int fd, void * buf, size\_t count)}
  
  Cerca di leggere \param{count} byte dal file \param{fd} al buffer
  \param{buf}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e
    -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
    aver potuto leggere qualsiasi dato.
  \item[\errcode{EAGAIN}] la funzione non aveva nessun dato da restituire e si
    era aperto il file in modalità \const{O\_NONBLOCK}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EIO}, \errval{EISDIR}, \errval{EBADF},
  \errval{EINVAL} e \errval{EFAULT} ed eventuali altri errori dipendenti dalla
  natura dell'oggetto connesso a \param{fd}.}
\end{prototype}

La funzione tenta di leggere \param{count} byte a partire dalla posizione
corrente nel file. 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.  Si deve sempre tener
presente che non è detto che la funzione \func{read} restituisca sempre 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 fifo o da una 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\index{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.

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 (vedi sez.~\ref{sec:file_noblocking}) e non ci sono
dati in ingresso: la funzione allora ritorna immediatamente con un errore
\errcode{EAGAIN}\footnote{BSD usa per questo errore la costante
  \errcode{EWOULDBLOCK}, in Linux, con le \acr{glibc}, questa è sinonima di
  \errcode{EAGAIN}.} che indica soltanto che non essendoci al momento dati
disponibili occorre provare a ripetere la lettura in un secondo tempo.

La funzione \func{read} è una delle 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 nelle \acr{glibc}, compresa
  l'emulazione per i vecchi kernel che non hanno la 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_opengroup}) è stata introdotta la
definizione di un'altra funzione di lettura, \funcd{pread}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}
{ssize\_t pread(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}

Cerca di leggere \param{count} byte dal file \param{fd}, a partire dalla
posizione \param{offset}, nel buffer \param{buf}.
  
\bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1
  in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
  \func{read} e \func{lseek}.}
\end{prototype}

La funzione prende esattamente gli stessi argomenti di \func{read} con lo
stesso significato, a cui si aggiunge l'argomento \func{offset} che indica una
posizione sul file. Indetico è il comportamento ed il valore di ritorno. La
funzione serve quando si vogliono leggere dati dal file senza modificare la
posizione corrente.

L'uso di \func{pread} è equivalente all'esecuzione di una \func{read} seguita
da una \func{lseek} che riporti al valore precedente la 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_sharing}).  Il valore di
\param{offset} fa sempre riferimento all'inizio del file.

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 la definizione della macro:
\begin{verbatim}
#define _XOPEN_SOURCE 500
\end{verbatim}
e si ricordi di definire questa macro prima dell'inclusione del file di
dichiarazioni \file{unistd.h}.



\subsection{La funzione \func{write}}
\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 \funcd{write}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t write(int fd, void * buf, size\_t count)}
  
  Scrive \param{count} byte dal buffer \param{buf} sul file \param{fd}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte scritti in caso di successo
    e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è connesso ad un oggetto che non consente
    la scrittura.
  \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{EPIPE}] \param{fd} è connesso ad una pipe il cui altro capo è
    chiuso in lettura; in questo caso viene anche generato il segnale
    \const{SIGPIPE}, se questo viene gestito (o bloccato o ignorato) la
    funzione ritorna questo errore.
  \item[\errcode{EINTR}] si è stati interrotti da un segnale prima di aver
    potuto scrivere qualsiasi dato.
  \item[\errcode{EAGAIN}] ci si sarebbe bloccati, ma il file era aperto in
    modalità \const{O\_NONBLOCK}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EIO}, \errval{EISDIR}, \errval{EBADF},
  \errval{ENOSPC}, \errval{EINVAL} e \errval{EFAULT} ed eventuali altri errori
  dipendenti dalla natura dell'oggetto connesso a \param{fd}.}
\end{prototype}

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 \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.

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 definisce un'analoga \funcd{pwrite}
per scrivere alla posizione indicata senza modificare la posizione corrente
nel file, il suo prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}
{ssize\_t pwrite(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
  
Cerca di scrivere sul file \param{fd}, a partire dalla posizione
\param{offset}, \param{count} byte dal buffer \param{buf}.
  
\bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1
  in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
  \func{write} e \func{lseek}.}
\end{prototype}
\noindent e per essa valgono le stesse considerazioni fatte per \func{pread}.


\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 in cap.~\ref{cha:file_advanced}).


\subsection{La condivisione dei files}
\label{sec:file_sharing}

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 allo stesso file da parte di processi diversi.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=15cm]{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 diversi 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 \struct{file\_struct}. Entrambe le voci
nella \textit{file table} faranno però riferimento allo stesso
inode\index{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. Se la
  scrittura eccede la dimensione corrente del file questo verrà esteso
  automaticamente con l'aggiornamento del campo \var{i\_size}
  nell'inode\index{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 dall'inode\index{inode}. Dopo la
  scrittura il file viene automaticamente esteso.
\item l'effetto di \func{lseek} è solo quello di cambiare il campo
  \var{f\_pos} nella struttura \struct{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 dimensione corrente
  dall'inode\index{inode}.
\end{itemize}

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=15cm]{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
puntino 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 \struct{file\_struct} e relativa tabella dei file aperti.

In questo modo padre e figlio avranno gli stessi file descriptor che 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 contemporanea la posizione
corrente nel file varierà per entrambi i processi (in quanto verrà modificato
\var{f\_pos} che è lo stesso per entrambi).

Si noti inoltre che anche i flag di stato del file (quelli impostati
dall'argomento \param{flag} di \func{open}) essendo tenuti nella voce della
\textit{file table}\footnote{per la precisione nel campo \var{f\_flags} di
  \struct{file}.}, vengono in questo caso condivisi. Ai file però sono
associati anche altri flag, dei quali l'unico usato al momento è
\const{FD\_CLOEXEC}, detti \textit{file descriptor flags}. Questi ultimi sono
tenuti invece in \struct{file\_struct}, e perciò sono specifici di ciascun
processo e non vengono modificati dalle azioni degli altri anche in caso di
condivisione della stessa voce della \textit{file table}.



\subsection{Operazioni atomiche con i file}
\label{sec:file_atomic}

Come si è visto in un sistema unix-like è sempre possibile per più processi
accedere in contemporanea allo stesso file, e che le operazioni di lettura e
scrittura possono essere fatte da ogni processo in maniera autonoma in base
ad una posizione corrente nel file che è locale a ciascuno di essi.

Se dal punto di vista della lettura dei dati questo non comporta nessun
problema, quando si andrà a scrivere le operazioni potranno mescolarsi in
maniera imprevedibile.  Il sistema però fornisce in alcuni casi la possibilità
di eseguire alcune operazioni di scrittura in maniera coordinata anche senza
utilizzare meccanismi di sincronizzazione più complessi (come il \textit{file
  locking}\index{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 e poi scrivere può condurre ad una \textit{race
  condition}\index{\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 nostro primo processo avrà ancora la posizione corrente impostata con la
\func{lseek} che non corrisponde più alla fine del file, e la successiva
\func{write} sovrascriverà i dati del secondo processo.

Il problema è che usare due system call in successione non è un'operazione
atomica; il problema è stato risolto introducendo la modalità
\const{O\_APPEND}. In questo caso infatti, come abbiamo descritto in
precedenza, 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 system call (la \func{write}) che non
essendo interrompibile da un altro processo costituisce un'operazione atomica.

Un altro caso tipico in cui è necessaria l'atomicità è quello in cui si vuole
creare un \textsl{file di lock}\index{file!di lock}, bloccandosi se il file
esiste. In questo caso la sequenza logica porterebbe a verificare prima
l'esistenza del file con una \func{stat} per poi crearlo con una \func{creat};
di nuovo avremmo la possibilità di una race
condition\index{\textit{race~condition}} da parte di un altro processo che
crea lo stesso file fra il controllo e la creazione.

Per questo motivo sono stati introdotti per \func{open} i due flag
\const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}. In questo modo l'operazione di controllo
dell'esistenza del file (con relativa uscita dalla funzione con un errore) e
creazione in caso di assenza, diventa atomica essendo svolta tutta all'interno
di una singola system call (per i dettagli sull'uso di questa caratteristica
si veda sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).


\subsection{La funzioni \func{sync} e \func{fsync}}
\label{sec:file_sync}

Come accennato in sez.~\ref{sec:file_close} tutte le operazioni di scrittura
sono in genere bufferizzate dal kernel, che provvede ad effettuarle in maniera
asincrona (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 dei dati, il
sistema mette a disposizione delle funzioni che provvedono a forzare lo
scarico dei dati dai buffer del kernel.\footnote{come già accennato neanche
  questo 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
  ottimizzazione per l'accesso al disco che può ritardare ulteriormente la
  scrittura effettiva.} La prima di queste funzioni è \funcd{sync} il cui
prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int sync(void)}
  
  Sincronizza il buffer della cache dei file col disco.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna sempre zero.}
\end{prototype}
\noindent  i vari standard prevedono che la funzione si limiti a far partire
le operazioni, ritornando immediatamente; in Linux (dal kernel 1.3.20) invece
la funzione aspetta la conclusione delle operazioni di sincronizzazione del
kernel.

La funzione viene usata dal comando \cmd{sync} quando si vuole forzare
esplicitamente lo scarico dei dati su disco, o dal demone di sistema
\cmd{update} che esegue lo scarico dei dati ad intervalli di tempo fissi: il
valore tradizionale, usato da BSD, per l'update dei dati è ogni 30 secondi, ma
in Linux il valore utilizzato è di 5 secondi; con le nuove versioni\footnote{a
  partire dal kernel 2.2.8} poi, è il kernel che si occupa direttamente di
tutto quanto attraverso il demone interno \cmd{bdflush}, il cui comportamento
può essere controllato attraverso il file \file{/proc/sys/vm/bdflush} (per il
significato dei valori si può leggere la documentazione allegata al kernel in
\file{Documentation/sysctl/vm.txt}).

Quando si vogliono scaricare soltanto i dati di un file (ad esempio essere
sicuri che i dati di un database sono stati registrati su disco) si possono
usare le due funzioni \funcd{fsync} e \funcd{fdatasync}, i cui prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{unistd.h}
  \funcdecl{int fsync(int fd)}
  Sincronizza dati e metadati del file \param{fd}
  \funcdecl{int fdatasync(int fd)}
  Sincronizza i dati del file \param{fd}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 in caso di errore,
    nel qual caso \var{errno} assume i valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è un file speciale che non supporta la
    sincronizzazione.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EROFS} e \errval{EIO}.}
\end{functions}

Entrambe le funzioni forzano la sincronizzazione col disco di tutti i dati del
file specificato, ed attendono fino alla conclusione delle operazioni;
\func{fsync} forza anche la sincronizzazione dei metadati del file (che
riguardano sia le modifiche alle tabelle di allocazione dei settori, che gli
altri dati contenuti nell'inode\index{inode} che si leggono con \func{fstat},
come i tempi del file).

Si tenga presente che questo non comporta la sincronizzazione della
directory che contiene il file (e scrittura della relativa voce su
disco) che deve essere effettuata esplicitamente.\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.}


\subsection{La funzioni \func{dup} e \func{dup2}}
\label{sec:file_dup}

Abbiamo già visto in sez.~\ref{sec:file_sharing} come un processo figlio
condivida gli stessi file descriptor del padre; è possibile però ottenere un
comportamento analogo all'interno di uno stesso processo \textit{duplicando}
un file descriptor. Per far questo si usa la funzione \funcd{dup} il cui
prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int dup(int oldfd)}
  Crea una copia del file descriptor \param{oldfd}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e
    -1 in caso di 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.
  \end{errlist}}
\end{prototype}

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 nella struttura
\struct{file\_struct}, cosicché anche il nuovo file descriptor fa riferimento
alla stessa voce nella \textit{file table}; per questo si dice che il nuovo
file descriptor è \textsl{duplicato}, da cui il nome della funzione.

\begin{figure}[htb]
  \centering \includegraphics[width=15cm]{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, \textit{file status flag}, e
posizione corrente. 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 il suo
\textit{file descriptor flag}; a questo proposito va specificato che nel caso
di \func{dup} il flag di \textit{close-on-exec}\index{\textit{close-on-exec}}
(vedi sez.~\ref{sec:proc_exec} e sez.~\ref{sec:file_fcntl}) viene sempre
cancellato nella copia.

L'uso principale di questa funzione è per la redirezione dell'input e
dell'output fra l'esecuzione di una \func{fork} e la successiva \func{exec};
diventa così possibile associare un file (o una pipe) allo standard input o
allo standard output (torneremo sull'argomento in sez.~\ref{sec:ipc_pipe_use},
quando tratteremo le pipe). Per fare questo in genere occorre prima chiudere
il file che si vuole sostituire, cosicché il suo file descriptor possa esser
restituito alla chiamata di \func{dup}, come primo file descriptor
disponibile.

Dato che questa è l'operazione più comune, è prevista una diversa versione
della funzione, \funcd{dup2}, che permette di specificare esplicitamente
qual è il valore di file descriptor che si vuole avere come duplicato; il suo
prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int dup2(int oldfd, int newfd)}
  
  Rende \param{newfd} una copia del file descriptor \param{oldfd}.
  
  \bodydesc{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e
    -1 in caso di 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{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo consentito di file
    descriptor aperti.
  \end{errlist}}
\end{prototype}
\noindent e qualora il file descriptor \param{newfd} sia già aperto (come
avviene ad esempio nel caso della duplicazione di uno dei file standard) esso
sarà prima chiuso e poi duplicato (così che il file duplicato sarà connesso
allo stesso valore per il file descriptor).

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}) 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\footnote{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} (e se
\param{newfd} è aperto la duplicazione avverrà su un altro file descriptor).


\subsection{La funzione \func{fcntl}}
\label{sec:file_fcntl}

Oltre alle operazioni base esaminate in sez.~\ref{sec:file_base_func} 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.\footnote{ad esempio si
  gestiscono con questa funzione varie modalità di I/O asincrono (vedi
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}) e il file
  locking\index{file!locking} (vedi sez.~\ref{sec:file_locking}).}

Per queste operazioni di manipolazione e di controllo delle varie proprietà e
caratteristiche di un file descriptor, viene usata la funzione \funcd{fcntl},
il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{unistd.h}
  \headdecl{fcntl.h}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd)}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, long arg)}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, struct flock * lock)}
  Esegue una delle possibili operazioni specificate da \param{cmd}
  sul file \param{fd}.
  
  \bodydesc{La funzione ha valori di ritorno diversi a seconda
    dell'operazione. In caso di errore il valore di ritorno è sempre -1 ed il
    codice dell'errore è restituito nella variabile \var{errno}; i codici
    possibili dipendono dal tipo di operazione, l'unico valido in generale è:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un file aperto.
  \end{errlist}}
\end{functions}


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
sono determinati dal valore dell'argomento \param{cmd} che in sostanza
corrisponde all'esecuzione di un determinato \textsl{comando}; 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} è riportata di seguito:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\const{F\_DUPFD}] trova il primo file descriptor disponibile di valore
  maggiore o uguale ad \param{arg} e ne fa una copia di \param{fd}. Ritorna il
  nuovo file descriptor in caso di successo e -1 in caso di errore. 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[\const{F\_SETFD}] imposta il valore del \textit{file descriptor flag} al
  valore specificato con \param{arg}. Al momento l'unico bit usato è quello di
  \textit{close-on-exec}\index{\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}).
  Ritorna un valore nullo in caso di successo e -1 in caso di errore.
\item[\const{F\_GETFD}] ritorna il valore del \textit{file descriptor flag} di
  \param{fd} o -1 in caso di errore; se \const{FD\_CLOEXEC} è impostato i file
  descriptor aperti vengono chiusi attraverso una \func{exec} altrimenti (il
  comportamento predefinito) restano aperti.
\item[\const{F\_GETFL}] ritorna il valore del \textit{file status flag} in
  caso di successo o -1 in caso di errore; permette cioè di rileggere quei bit
  impostati da \func{open} all'apertura del file che vengono memorizzati
  (quelli riportati nella prima e terza sezione di
  tab.~\ref{tab:file_open_flags}).
\item[\const{F\_SETFL}] imposta il \textit{file status flag} al valore
  specificato da \param{arg}, ritorna un valore nullo in caso di successo o -1
  in caso di errore. Possono essere impostati solo i bit riportati nella terza
  sezione di tab.~\ref{tab:file_open_flags}.\footnote{la pagina di manuale
    riporta come impostabili solo \const{O\_APPEND}, \const{O\_NONBLOCK} e
    \const{O\_ASYNC}.}
\item[\const{F\_GETLK}] richiede un controllo sul file lock specificato da
  \param{lock}, sovrascrivendo la struttura da esso puntata con il risultato,
  ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in caso di errore.  Questa
  funzionalità è trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
\item[\const{F\_SETLK}] richiede o rilascia un file lock a seconda di quanto
  specificato nella struttura puntata da \param{lock}. Se il lock è tenuto da
  qualcun'altro ritorna immediatamente restituendo -1 e imposta \var{errno} a
  \errcode{EACCES} o \errcode{EAGAIN}, in caso di successo ritorna un valore
  nullo. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
\item[\const{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}, in caso di successo ritorna un valore nullo.
  Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
\item[\const{F\_GETOWN}] restituisce il \acr{pid} del processo o
  l'identificatore del process group\footnote{i \texttt{process group} sono
    (vedi sez.~\ref{sec:sess_proc_group}) raggruppamenti di processi usati nel
    controllo di sessione; a ciascuno di essi è associato un identificatore
    (un numero positivo analogo al \acr{pid}).}  che è preposto alla ricezione
  dei segnali \const{SIGIO} e \const{SIGURG} per gli eventi associati al file
  descriptor \param{fd}. Nel caso di un process group viene restituito un
  valore negativo il cui valore assoluto corrisponde all'identificatore del
  process group. In caso di errore viene restituito -1.
\item[\const{F\_SETOWN}] imposta, con il valore dell'argomento \param{arg},
  l'identificatore del processo o del \textit{process group} che riceverà i
  segnali \const{SIGIO} e \const{SIGURG} per gli eventi associati al file
  descriptor \param{fd}, ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in
  caso di errore.  Come per \const{F\_GETOWN}, per impostare un
  \textit{process group} si deve usare per \param{arg} un valore negativo, il
  cui valore assoluto corrisponde all'identificatore del \textit{process
    group}.
\item[\const{F\_GETSIG}] restituisce il valore del segnale inviato quando ci
  sono dati disponibili in ingresso su un file descriptor aperto ed impostato
  per l'I/O asincrono (si veda sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}). Il valore 0
  indica il valore predefinito (che è \const{SIGIO}), un valore diverso da
  zero indica il segnale richiesto, (che può essere anche lo stesso
  \const{SIGIO}). In caso di errore ritorna -1.
\item[\const{F\_SETSIG}] imposta il segnale da inviare quando diventa
  possibile effettuare I/O sul file descriptor in caso di I/O asincrono,
  ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in caso di errore. Il
  valore zero indica di usare il segnale predefinito, \const{SIGIO}. Un altro
  valore diverso da zero (compreso lo stesso \const{SIGIO}) specifica il
  segnale voluto; l'uso 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}
  (come vedremo in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}).\footnote{i due comandi
    \const{F\_SETSIG} e \const{F\_GETSIG} sono una estensione specifica di
    Linux.}
\item[\const{F\_SETLEASE}] imposta o rimuove un \textit{file
    lease}\footnote{questa è una nuova funzionalità, specifica di Linux, e
    presente solo a partire dai kernel della serie 2.4.x, in cui il processo
    che detiene un \textit{lease} su un file riceve una notifica qualora un
    altro processo cerca di eseguire una \func{open} o una \func{truncate} su
    di esso.} sul file descriptor \var{fd} a seconda del valore del terzo
  argomento, che in questo caso è un \ctyp{int}, ritorna un valore nullo in
  caso di successo o -1 in caso di errore. Questa funzionalità avanzata è
  trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
\item[\const{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. Con questo comando il terzo argomento può essere omesso. Questa
  funzionalità avanzata è trattata in dettaglio in
  sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
\item[\const{F\_NOTIFY}] attiva un meccanismo di notifica per cui viene
  riportata al processo chiamante, tramite il segnale \const{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. Questa funzionalità avanzata, disponibile dai kernel della serie
  2.4.x, è trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
\end{basedescript}

La maggior parte delle funzionalità di \func{fcntl} sono troppo avanzate per
poter essere affrontate in tutti i loro aspetti a questo punto; 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} mentre quelle relative al
\textit{file locking}\index{file!locking} saranno esaminate in
sez.~\ref{sec:file_locking}).

Si tenga presente infine che quando si usa la funzione per determinare le
modalità di accesso con cui è stato aperto il file (attraverso l'uso del
comando \const{F\_GETFL}) è necessario estrarre i bit corrispondenti nel
\textit{file status flag} che si è ottenuto.  Infatti la definizione corrente
di quest'ultimo non assegna bit separati alle tre diverse modalità
\const{O\_RDONLY}, \const{O\_WRONLY} e \const{O\_RDWR}.\footnote{in Linux
  queste costanti sono poste rispettivamente ai valori 0, 1 e 2.} Per questo
motivo il valore della modalità di accesso corrente si ottiene eseguendo un
AND binario del valore di ritorno di \func{fcntl} con la maschera
\const{O\_ACCMODE} (anch'essa definita in \file{fcntl.h}), che estrae i bit di
accesso dal \textit{file status flag}.



\subsection{La funzione \func{ioctl}}
\label{sec:file_ioctl}

Benché il concetto di \textit{everything is a file} si sia dimostratato molto
valido anche per l'interazione con i dispositivi più vari, fornendo una
interfaccia che permette di interagire con essi tramite le stesse funzioni
usate per i normali file di dati, esisteranno sempre caratteristiche
peculiari, specifiche dell'hardware e della funzionalità che ciascun
dispositivo può provvedere, che non possono venire comprese in questa
interfaccia astratta (un caso tipico è 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 funzione apposita, \funcd{ioctl}, con cui poter compiere le operazioni
specifiche di ogni dispositivo particolare, usando come riferimento il solito
file descriptor.  Il prototipo di questa funzione è:
\begin{prototype}{sys/ioctl.h}{int ioctl(int fd, int request, ...)}  
  Manipola il dispositivo sottostante, usando l'argomento \param{request} per
  specificare l'operazione richiesta ed il terzo argomento (usualmente di tipo
  \param{char * argp} o \param{int argp}) per il trasferimento
  dell'informazione necessaria.
  
  \bodydesc{La funzione nella maggior parte dei casi ritorna 0, alcune
    operazioni usano però il valore di ritorno per restituire informazioni. In
    caso di errore viene sempre restituito -1 ed \var{errno} assumerà uno dei
    valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{ENOTTY}] il file \param{fd} non è associato con un device, o
    la richiesta non è applicabile all'oggetto a cui fa riferimento
    \param{fd}.
  \item[\errcode{EINVAL}] gli argomenti \param{request} o \param{argp} non sono
    validi.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EBADF} e \errval{EFAULT}.}
\end{prototype}

La funzione serve in sostanza per fare tutte quelle operazioni che non si
adattano al design dell'architettura dei file e che non è possibile effettuare
con le funzioni esaminate finora. Esse vengono selezionate attraverso il
valore di \param{request} e gli eventuali risultati possono essere restituiti
sia attraverso il valore di ritorno che attraverso il terzo argomento
\param{argp}. Sono esempi delle operazioni gestite con una \func{ioctl}:
\begin{itemize*}
\item il cambiamento dei font di un terminale.
\item l'esecuzione di una traccia audio di un CDROM.
\item i comandi di avanti veloce e 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.
\end{itemize*}

In generale ogni dispositivo ha un suo insieme di possibili diverse operazioni
effettuabili attraverso \func{ioctl}, che sono definite nell'header file
\file{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),
qui riportiamo solo i valori di alcuni comandi che sono definiti per ogni
file:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\const{FIOCLEX}] Imposta il bit di \textit{close on exec}.
\item[\const{FIONCLEX}] Cancella il bit di \textit{close on exec}.
\item[\const{FIOASYNC}] Abilita l'I/O asincrono.
\item[\const{FIONBIO}] Abilita l'I/O in modalità non bloccante.
\end{basedescript}
relativi ad operazioni comunque eseguibili anche attraverso \func{fcntl}.


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