[gapil.git] / fileunix.tex

\chapter{L'interfaccia unix di I/O con i file}
\label{cha:file_unix_interface}

Esamineremo in questo capitolo la prima delle due interfacce di programmazione
per i file, quella dei \textit{file descriptor}, nativa di unix. Questa è
l'interfaccia di basso livello, che non prevede funzioni evolute come la
bufferizzazione o funzioni di lettura o scrittura formattata, ma è su questa
che è costruita anche l'interfaccia standard dei file definita dallo standard
ANSI C.



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

In questa sezione faremo una breve introduzione sulla architettura su cui è
basata dell'interfaccia dei \textit{file descriptor}, che, sia pure con
differenze di implementazione, è comune ad ogni implementazione di unix.


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

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 \secref{sec:file_vfs_work}). Questo si fa aprendo il file con
la funzione \func{open} che provvederà a localizzare l'inode del file e
inizializzare le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
\tabref{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 restituisce il file descriptor, e tutte le successive
operazioni devono passare il \textit{file descriptors} come argomento.

Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come è
che 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 \var{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 \var{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
\var{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\footnote{nel kernel 2.4.x si è in realtà passati
    ad un puntatore ad una struttura \var{dentry} che punta a sua volta
    all'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 \secref{sec:file_vfs_work}} che si possono usare
%  sul file.
\end{itemize*}

In \figref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema in cui è illustrata
questa architettura, in cui si sono evidenziate le interrelazioni fra le varie
strutture di dati sulla quale essa è basata. 
\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=14cm]{img/procfile.eps}
  \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
  l'interfaccia dei \textit{file descroptor}}
  \label{fig:file_proc_file}
\end{figure}
Ritorneremo su questo schema più volte, dato che esso è fondamentale per
capire i dettagli del funzionamento delle dell'interfaccia dei \textit{file
  descriptor}.


\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 se
ne è chiuso nessuno in precedenza).

In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
processo viene lanciato con almeno tre file aperti. Questi, per quanto
dicevamo prima, avranno come \textit{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 a quello che viene chiamato \textit{standard
  input}, è cioè il file da cui il processo si aspetta di ricevere i dati in
ingresso (nel caso della shell, è associato alla lettura della tastiera); il
secondo file è il cosiddetto \textit{standard output}, cioè il file su cui ci
si aspetta debbano essere inviati i dati in uscita (sempre nel caso della
shell, è il terminale su cui si sta scrivendo), il terzo è lo \textit{standard
  error}, su cui viene inviato l'output relativo agli errori.
Lo standard POSIX.1 provvede tre costanti simboliche, definite nell'header
\file{unistd.h}, al posto di questi valori numerici: 
\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|l|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \macro{STDIN\_FILENO}  & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
      input} \\
    \macro{STDOUT\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
      output} \\
    \macro{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 \curfig\ si è utilizzata questa situazione come esempio, 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).

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 \var{file\_struct}; questo limite intrinseco non sussiste
più, dato che si è passati da un vettore ad una linked list, ma restano i
limiti imposti dall'amministratore (vedi \secref{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 \func{open} è la funzione fondamentale per accedere ai file, ed è
quella che crea l'associazione fra un 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 \var{pathname} nella modalità indicata da
  \var{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
  specificati da \var{mode}.
  
  La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in caso di
  errore. In questo caso la variabile \var{errno} viene settata ad uno dei
  valori:

  \begin{errlist}
  \item \macro{EEXIST} \var{pathname} esiste e si è specificato
    \macro{O\_CREAT} e \macro{O\_EXCL}.  
  \item \macro{EISDIR} \var{pathname} indica una directory e si è tentato
    l'accesso in scrittura. 
  \item \macro{ENOTDIR} si è specificato \macro{O\_DIRECTORY} e \var{pathname}
    non è una directory.
  \item \macro{ENXIO} si sono settati \macro{O\_NOBLOCK} o \macro{O\_WRONLY}
    ed il file è una fifo che non viene letta da nessun processo o
    \var{pathname} è un file di dispositivo ma il dispositivo è assente.
  \item \macro{ENODEV} \var{pathname} si riferisce a un file di dispositivo
    che non esiste.  
  \item \macro{ETXTBSY} si è cercato di accedere in scrittura all'immagine di
    un programma in esecuzione.
  \item \macro{ELOOP} si sono incotrati troppi link simbolici nel risolvere
    pathname o si è indicato \macro{O\_NOFOLLOW} e \var{pathname} è un link
    simbolico.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EACCES}, \macro{ENAMETOOLONG}, \macro{ENOENT},
  \macro{EROFS}, \macro{EFAULT}, \macro{ENOSPC}, \macro{ENOMEM},
  \macro{EMFILE} e \macro{ENFILE}.
\end{functions}

La funzione apre il file, usando il primo file descriptor libero, e crea
l'opportuna voce (cioè la struttura \var{file}) nella file table.  Viene usato
sempre il file descriptor con il valore più basso, questa caratteristica
permette di prevedere qual'è il valore che si otterrà e viene talvolta usata
da alcune applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard
di \secref{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
\secref{sec:file_sharing}). Il nuovo file descriptor è settato di default per
restare aperto attraverso una \func{exec} (come accennato in
\secref{sec:proc_exec}) ed l'offset è settato all'inizio del file. 

Il parametro \var{mode} specifica i permessi con cui il file viene
eventualmente creato; i valori possibili sono gli stessi già visti in
\secref{sec:file_perm_overview} e possono essere specificati come OR binario
delle costanti descritte in \tabref{tab:file_bit_perm}. Questi permessi
filtrati dal valore di \file{umask} (vedi \secref{sec:file_umask}) per il
processo.

La funzione prevede diverse opzioni, che vengono specificate usando vari bit
del parametro \var{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 \var{file} (al solito si veda lo schema
di \curfig).  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 settati alla chiamata da \func{open}, e possono
  essere riletti con una \func{fcntl} (fanno parte del \textit{file status
    flag}), ma non 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 nè possono essere riletti.
\item \textsl{i bit delle modalità di operazione}: permettono di specificare
  alcune caratteristiche del comportamento delle future operazioni sul file
  (come la \func{read} o la \func{write}). Anch'essi fanno parte del
  \textit{file status flag}. Il loro valore è settato alla chiamata di
  \func{open}, ma possono essere riletti e modificati (insieme alle
  caratteristiche operative che controllano) con una \func{fcntl}.
\end{itemize}

In \ntab\ si 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 di loro con un OR
aritmetico per costruire il valore (in forma di maschera binaria) del
parametro \var{flags} da passare alla \func{open} per specificarne il
comportamento.

\begin{table}[!htbp]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|p{12cm}|}
    \hline
    \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
    \hline
    \hline % modailtà di accesso al file
    \macro{O\_RDONLY} & apre il file in sola lettura\\
    \macro{O\_WRONLY} & apre il file in sola scrittura\\
    \macro{O\_RDWR} & apre il file lettura/scrittura\\
    \hline % modalita di apertura del file
    \hline
    \macro{O\_CREAT} & se il file non esiste verrà creato, con le regole di
    titolarità del file viste in \secref{sec:file_ownership}. Il parametro
    \var{mode} deve essere specificato. \\
    \macro{O\_EXCL} & usato in congiunzione con \macro{O\_CREAT} fa sì che
    l'esistenza del file diventi un errore\footnote{la man page di \func{open}
    segnala che questa opzione è difettosa su NFS, e che i programmi che la
    usano per stabilire un file di lock possono incorrere in una race
    condition.  Si consiglia come alternativa di usare un file con un nome
    univoco e la funzione \func{link} per verificarne l'esistenza.} che fa
    fallire \func{open} con \macro{EEXIST}.\\
    \macro{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 (torneremo su
    questo in \secref{sec:file_noblocking}).  \\
    \macro{O\_NOCTTY} & se \var{pathname} si riferisce ad un device di
    terminale, questo non diventerà il terminale di controllo, anche se il
    processo non ne ha ancora uno (si veda \secref{sec:sess_xxx}).\\
    \macro{O\_SHLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno shared lock (vedi
    \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux.\\
    \macro{O\_EXLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno lock esclusivo (vedi
    \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux.\\
    \macro{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.\\
    \macro{O\_NOFOLLOW} & se \var{pathname} è un link simbolico la chiamata
    fallisce. Questa è una estensione BSD aggiunta in Linux dal kernel 2.1.126.
    Nelle versioni precedenti i link simbolici sono sempre seguiti, e questa
    opzione è ignorata.\\
    \macro{O\_DIRECTORY} & se \var{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 DoS\footnote{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} 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}. \\
    \macro{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
    \macro{O\_APPEND} & il file viene aperto in append mode. Prima di ciascuna
    scrittura la posizione corrente viene sempre settata alla fine del
    file. Può causare corruzione del file con NFS se più di un processo scrive
    allo stesso tempo\footnote{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}.\\
    \macro{O\_NONBLOCK} & il file viene aperto in modalità non bloccante per
    le operazioni di I/O: questo significa il fallimento di una \func{read} in
    assenza di dati da leggere e quello di una \func{write} in caso di 
    impossibilità di scrivere immediatamente. L'opzione è effettiva solo per
    le fifo e per alcuni file di dispositivo. \\
    \macro{O\_NDELAY} & in Linux\footnote{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 una ambiguità, dato che come vedremo in
    \secref{sec:file_read} il ritorno di zero da parte di \func{read} ha il
    significato di una end-of-file} è sinonimo di \macro{O\_NONBLOCK}\\
    \macro{O\_ASYNC} & apre il file per l'input/output in modalità
    asincrona. Non è supportato in Linux. \\
    \macro{O\_FSYNC} & \\
    \macro{O\_SYNC} & apre il file per l'input/output sincrono, ogni
    \func{write} bloccherà fino al completamento della scrittura di tutti dati
    sul sull'hardware sottostante\\
    \macro{O\_NOATIME} & blocca l'aggiornamento dei tempi dei di accesso dei
    file (vedi \secref{sec:file_file_times}). In Linux questa opzione non è
    disponibile per il singolo file ma come opzione per il filesystem in fase
    di montaggio.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Costanti definite in \file{fcntl.h} per indicare i vari bit 
    usabili per il specificare parametro \var{flags} di \func{open}.}
  \label{tab:file_open_flags}
\end{table}

Nelle prime versioni di unix i 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, \func{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 \var{mode}. É del
  tutto equivalente a \func{open(filedes, O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)}. 
\end{prototype}

adesso questa funzione resta solo per compatibilità con i vecchi programmi.





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

\subsection{La funzione \func{lseek}}
\label{sec:file_lseek}

\subsection{La funzione \func{read}}
\label{sec:file_read}

\subsection{La funzione \func{write}}
\label{sec:file_write}


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

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


Si noti che i flag di stato del file, quelli settati dal parametro \var{flag}
di \func{open}, essendo tenuti nella vode sulla file table, vengono condivisi,
ai file sono però associati anche altri flag, (tenuti invece nella struttura
\var{file\_struct} interna alla process table) che sono unici per ciascun file
descriptor, e sono pertanto detti \textit{file descriptor flags} (l'unico
usato al momento è \macro{FD\_CLOEXEC}).


\subsection{Operazioni atomiche coi file}
\label{sec:file_atomic}


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

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

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