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11 \chapter{I file: l'interfaccia standard Unix}
12 \label{cha:file_unix_interface}
15 Esamineremo in questo capitolo la prima delle due interfacce di programmazione
16 per i file, quella dei \textit{file descriptor}\index{file!descriptor},
17 nativa di Unix. Questa è l'interfaccia di basso livello provvista direttamente
18 dalle system call, che non prevede funzionalità evolute come la
19 bufferizzazione o funzioni di lettura o scrittura formattata, e sulla quale è
20 costruita anche l'interfaccia definita dallo standard ANSI C che affronteremo
21 al cap.~\ref{cha:files_std_interface}.
25 \section{L'architettura di base}
26 \label{sec:file_base_arch}
28 In questa sezione faremo una breve introduzione sull'architettura su cui è
29 basata dell'interfaccia dei \textit{file descriptor}, che, sia pure con
30 differenze nella realizzazione pratica, resta sostanzialmente la stessa in
31 tutte le implementazione di un sistema unix-like.
34 \subsection{L'architettura dei \textit{file descriptor}}
37 \index{file!descriptor|(} Per poter accedere al contenuto di un file occorre
38 creare un canale di comunicazione con il kernel che renda possibile operare su
39 di esso (si ricordi quanto visto in sez.~\ref{sec:file_vfs_work}). Questo si
40 fa aprendo il file con la funzione \func{open} che provvederà a localizzare
41 l'inode\index{inode} del file e inizializzare i puntatori che rendono
42 disponibili le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
43 tab.~\ref{tab:file_file_operations}). Una volta terminate le operazioni, il
44 file dovrà essere chiuso, e questo chiuderà il canale di comunicazione
45 impedendo ogni ulteriore operazione.
47 All'interno di ogni processo i file aperti sono identificati da un intero non
48 negativo, chiamato appunto \textit{file descriptor}.
49 Quando un file viene aperto la funzione \func{open} restituisce questo numero,
50 tutte le ulteriori operazioni saranno compiute specificando questo stesso
51 valore come argomento alle varie funzioni dell'interfaccia.
53 Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come il
54 kernel gestisce l'interazione fra processi e file. Il kernel mantiene sempre
55 un elenco dei processi attivi nella cosiddetta \textit{process table} ed un
56 elenco dei file aperti nella \textit{file table}.
58 La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
59 processo attivo nel sistema. In Linux ciascuna voce è costituita da una
60 struttura di tipo \struct{task\_struct} nella quale sono raccolte tutte le
61 informazioni relative al processo; fra queste informazioni c'è anche il
62 puntatore ad una ulteriore struttura di tipo \struct{files\_struct}, in cui
63 sono contenute le informazioni relative ai file che il processo ha aperto, ed
66 \item i flag relativi ai file descriptor.
67 \item il numero di file aperti.
68 \item una tabella che contiene un puntatore alla relativa voce nella
69 \textit{file table} per ogni file aperto.
71 il \textit{file descriptor} in sostanza è l'intero positivo che indicizza
74 La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
75 che è stato aperto nel sistema. In Linux è costituita da strutture di tipo
76 \struct{file}; in ciascuna di esse sono tenute varie informazioni relative al
79 \item lo stato del file (nel campo \var{f\_flags}).
80 \item il valore della posizione corrente (l'\textit{offset}) nel file (nel
82 \item un puntatore all'inode\index{inode}\footnote{nel kernel 2.4.x si è in
83 realtà passati ad un puntatore ad una struttura \struct{dentry} che punta a
84 sua volta all'inode\index{inode} passando per la nuova struttura del VFS.}
86 %\item un puntatore alla tabella delle funzioni \footnote{la struttura
87 % \var{f\_op} descritta in sez.~\ref{sec:file_vfs_work}} che si possono usare
91 In fig.~\ref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema in cui è illustrata
92 questa architettura, ed in cui si sono evidenziate le interrelazioni fra le
93 varie strutture di dati sulla quale essa è basata.
96 \includegraphics[width=13cm]{img/procfile}
97 \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
98 l'interfaccia dei \textit{file descriptor}.}
99 \label{fig:file_proc_file}
101 Ritorneremo su questo schema più volte, dato che esso è fondamentale per
102 capire i dettagli del funzionamento dell'interfaccia dei \textit{file
104 \index{file!descriptor|)}
109 \subsection{I file standard}
110 \label{sec:file_std_descr}
112 Come accennato i \textit{file descriptor} non sono altro che un indice nella
113 tabella dei file aperti di ciascun processo; per questo motivo essi vengono
114 assegnati in successione tutte le volte che si apre un nuovo file (se non ne è
115 stato chiuso nessuno in precedenza).
117 In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
118 processo viene lanciato con almeno tre file aperti. Questi, per quanto appena
119 detto, avranno come \textit{file descriptor}\index{file!descriptor} i valori
120 0, 1 e 2. Benché questa sia soltanto una convenzione, essa è seguita dalla
121 gran parte delle applicazioni, e non aderirvi potrebbe portare a gravi
122 problemi di interoperabilità.
124 Il primo file è sempre associato a quello che viene chiamato \textit{standard
125 input}. È cioè il file da cui il processo si aspetta di ricevere i dati in
126 ingresso (nel caso della shell, è associato all'ingresso dal terminale, e
127 quindi alla lettura della tastiera). Il secondo file è il cosiddetto
128 \textit{standard output}, cioè il file su cui ci si aspetta debbano essere
129 inviati i dati in uscita (sempre nel caso della shell, è associato all'uscita
130 del terminale, e quindi alla scrittura sullo schermo). Il terzo è lo
131 \textit{standard error}, su cui viene inviato l'output relativo agli errori,
132 ed è anch'esso associato all'uscita del terminale. Lo standard POSIX.1
133 provvede tre costanti simboliche, definite nell'header \file{unistd.h}, al
134 posto di questi valori numerici:
138 \begin{tabular}[c]{|l|l|}
140 \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
143 \const{STDIN\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
145 \const{STDOUT\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
147 \const{STDERR\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
151 \caption{Costanti definite in \file{unistd.h} per i file standard aperti
152 alla creazione di ogni processo.}
153 \label{tab:file_std_files}
156 In tab.~\ref{tab:file_std_files} si è utilizzata questa situazione come
157 esempio, facendo riferimento ad un programma in cui lo \textit{standard input}
158 è associato ad un file mentre lo \textit{standard output} e lo
159 \textit{standard error} sono entrambi associati ad un altro file (e quindi
160 utilizzano lo stesso inode\index{inode}).
162 Nelle vecchie versioni di Unix (ed anche in Linux fino al kernel 2.0.x) il
163 numero di file aperti era anche soggetto ad un limite massimo dato dalle
164 dimensioni del vettore di puntatori con cui era realizzata la tabella dei file
165 descriptor dentro \struct{file\_struct}; questo limite intrinseco nei kernel
166 più recenti non sussiste più, dato che si è passati da un vettore ad una
167 lista, ma restano i limiti imposti dall'amministratore (vedi
168 sez.~\ref{sec:sys_limits}).
172 \section{Le funzioni base}
173 \label{sec:file_base_func}
175 L'interfaccia standard Unix per l'input/output sui file è basata su cinque
176 funzioni fondamentali: \func{open}, \func{read}, \func{write}, \func{lseek} e
177 \func{close}, usate rispettivamente per aprire, leggere, scrivere, spostarsi e
180 La gran parte delle operazioni sui file si effettua attraverso queste cinque
181 funzioni, esse vengono chiamate anche funzioni di I/O non bufferizzato dato
182 che effettuano le operazioni di lettura e scrittura usando direttamente le
183 system call del kernel.
186 \subsection{La funzione \func{open}}
187 \label{sec:file_open}
189 La funzione \funcd{open} è la funzione fondamentale per accedere ai file, ed è
190 quella che crea l'associazione fra un pathname ed un file descriptor, il suo
193 \headdecl{sys/types.h}
194 \headdecl{sys/stat.h}
196 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
197 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
198 Apre il file indicato da \param{pathname} nella modalità indicata da
199 \param{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
200 specificati da \param{mode}.
202 \bodydesc{La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in
203 caso di errore. In questo caso la variabile \var{errno} assumerà uno dei
206 \item[\errcode{EEXIST}] \param{pathname} esiste e si è specificato
207 \const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}.
208 \item[\errcode{EISDIR}] \param{pathname} indica una directory e si è tentato
209 l'accesso in scrittura.
210 \item[\errcode{ENOTDIR}] si è specificato \const{O\_DIRECTORY} e
211 \param{pathname} non è una directory.
212 \item[\errcode{ENXIO}] si sono impostati \const{O\_NOBLOCK} o
213 \const{O\_WRONLY} ed il file è una fifo che non viene letta da nessun
214 processo o \param{pathname} è un file di dispositivo ma il dispositivo è
216 \item[\errcode{ENODEV}] \param{pathname} si riferisce a un file di
217 dispositivo che non esiste.
218 \item[\errcode{ETXTBSY}] si è cercato di accedere in scrittura all'immagine
219 di un programma in esecuzione.
220 \item[\errcode{ELOOP}] si sono incontrati troppi link simbolici nel risolvere
221 pathname o si è indicato \const{O\_NOFOLLOW} e \param{pathname} è un link
224 ed inoltre \errval{EACCES}, \errval{ENAMETOOLONG}, \errval{ENOENT},
225 \errval{EROFS}, \errval{EFAULT}, \errval{ENOSPC}, \errval{ENOMEM},
226 \errval{EMFILE} e \errval{ENFILE}.}
229 La funzione apre il file, usando il primo file descriptor libero, e crea
230 l'opportuna voce (cioè la struttura \struct{file}) nella file table. Viene
231 usato sempre il file descriptor con il valore più basso.
236 \begin{tabular}[c]{|l|p{12cm}|}
238 \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
240 \hline % modalità di accesso al file
241 \const{O\_RDONLY} & apre il file in sola lettura. \\
242 \const{O\_WRONLY} & apre il file in sola scrittura. \\
243 \const{O\_RDWR} & apre il file in lettura/scrittura. \\
244 \hline % modalità di apertura del file
246 \const{O\_CREAT} & se il file non esiste verrà creato, con le regole di
247 titolarità del file viste in sez.~\ref{sec:file_ownership}. L'argomento
248 \param{mode} deve essere specificato. \\
249 \const{O\_EXCL} & usato in congiunzione con \const{O\_CREAT} fa sì che
250 l'esistenza del file diventi un errore\protect\footnotemark\ che fa fallire
251 \func{open} con \errcode{EEXIST}. \\
252 \const{O\_NONBLOCK} & apre il file in modalità non bloccante. Questo
253 valore specifica anche una modalità di operazione (vedi sotto), e
254 comporta che \func{open} ritorni immediatamente (l'opzione ha senso
255 solo per le fifo, torneremo questo in sez.~\ref{sec:ipc_named_pipe}). \\
256 \const{O\_NOCTTY} & se \param{pathname} si riferisce ad un dispositivo di
257 terminale, questo non diventerà il terminale di controllo, anche se il
258 processo non ne ha ancora uno (si veda sez.~\ref{sec:sess_ctrl_term}). \\
259 \const{O\_SHLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno shared lock (vedi
260 sez.~\ref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
261 \const{O\_EXLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno lock esclusivo (vedi
262 sez.~\ref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
263 \const{O\_TRUNC} & se il file esiste ed è un file di dati e la modalità di
264 apertura consente la scrittura, allora la sua lunghezza verrà troncata a
265 zero. Se il file è un terminale o una fifo il flag verrà ignorato, negli
266 altri casi il comportamento non è specificato. \\
267 \const{O\_NOFOLLOW} & se \param{pathname} è un link simbolico la chiamata
268 fallisce. Questa è un'estensione BSD aggiunta in Linux dal kernel 2.1.126.
269 Nelle versioni precedenti i link simbolici sono sempre seguiti, e questa
270 opzione è ignorata. \\
271 \const{O\_DIRECTORY} & se \param{pathname} non è una directory la chiamata
272 fallisce. Questo flag è specifico di Linux ed è stato introdotto con il
273 kernel 2.1.126 per evitare dei
274 \textit{DoS}\index{DoS}\protect\footnotemark\ quando
275 \func{opendir} viene chiamata su una
276 fifo o su un device di unità a nastri, non deve essere utilizzato al di
277 fuori dell'implementazione di \func{opendir}. \\
278 \const{O\_LARGEFILE} & nel caso di sistemi a 32 bit che supportano file di
279 grandi dimensioni consente di aprire file le cui dimensioni non possono
280 essere rappresentate da numeri a 31 bit. \\
282 \hline % modalità di operazione col file
283 \const{O\_APPEND} & il file viene aperto in append mode. Prima di ciascuna
284 scrittura la posizione corrente viene sempre impostata alla fine del
285 file. Può causare corruzione del file con NFS se più di un processo scrive
286 allo stesso tempo.\footnotemark\\
287 \const{O\_NONBLOCK} & il file viene aperto in modalità non bloccante per
288 le operazioni di I/O (che tratteremo in sez.~\ref{sec:file_noblocking}):
289 questo significa il fallimento di \func{read} in assenza di dati da
290 leggere e quello di \func{write} in caso di impossibilità di scrivere
291 immediatamente. Questa modalità ha senso solo per le fifo e per alcuni
292 file di dispositivo. \\
293 \const{O\_NDELAY} & in Linux\footnotemark\ è sinonimo di
294 \const{O\_NONBLOCK}.\\
295 \const{O\_ASYNC} & apre il file per l'I/O in modalità
296 asincrona (vedi sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}). Quando è impostato
297 viene generato il segnale \const{SIGIO} tutte le volte che sono disponibili
298 dati in input sul file. \\
299 \const{O\_SYNC} & apre il file per l'input/output sincrono, ogni
300 \func{write} bloccherà fino al completamento della scrittura di tutti dati
301 sul sull'hardware sottostante.\\
302 \const{O\_FSYNC} & sinonimo di \const{O\_SYNC}. \\
303 \const{O\_NOATIME} & blocca l'aggiornamento dei tempi di accesso dei
304 file (vedi sez.~\ref{sec:file_file_times}). In Linux questa opzione non è
305 disponibile per il singolo file ma come opzione per il filesystem in fase
309 \caption{Valori e significato dei vari bit del \textit{file status flag}.}
310 \label{tab:file_open_flags}
313 \footnotetext[2]{la pagina di manuale di \func{open} segnala che questa
314 opzione è difettosa su NFS, e che i programmi che la usano per stabilire un
315 \textsl{file di lock}\index{file!di lock} possono incorrere in una race
316 condition\index{race condition}. Si consiglia come alternativa di usare un
317 file con un nome univoco e la funzione \func{link} per verificarne
318 l'esistenza (vedi sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).}
320 \footnotetext[3]{\textit{Denial of Service}\index{DoS}, si chiamano così
321 attacchi miranti ad impedire un servizio causando una qualche forma di
322 carico eccessivo per il sistema, che resta bloccato nelle risposte
325 \footnotetext[4]{il problema è che NFS non supporta la scrittura in append, ed
326 il kernel deve simularla, ma questo comporta la possibilità di una race
327 condition, vedi sez.~\ref{sec:file_atomic}.}
329 \footnotetext[5]{l'opzione origina da SVr4, dove però causava il ritorno da
330 una \func{read} con un valore nullo e non con un errore, questo introduce
331 un'ambiguità, dato che come vedremo in sez.~\ref{sec:file_read} il ritorno di
332 zero da parte di \func{read} ha il significato di una end-of-file.}
334 Questa caratteristica permette di prevedere qual'è il valore del file
335 descriptor che si otterrà al ritorno di \func{open}, e viene talvolta usata da
336 alcune applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard
337 visti in sez.~\ref{sec:file_std_descr}: se ad esempio si chiude lo standard
338 input e si apre subito dopo un nuovo file questo diventerà il nuovo standard
339 input (avrà cioè il file descriptor 0). Il nuovo file descriptor non è
340 condiviso con nessun altro processo (torneremo sulla condivisione dei file, in
341 genere accessibile dopo una \func{fork}, in sez.~\ref{sec:file_sharing}) ed è
342 impostato per restare aperto attraverso una \func{exec} (come accennato in
343 sez.~\ref{sec:proc_exec}); l'offset è impostato all'inizio del file.
345 L'argomento \param{mode} indica i permessi con cui il file viene creato; i
346 valori possibili sono gli stessi già visti in sez.~\ref{sec:file_perm_overview}
347 e possono essere specificati come OR binario delle costanti descritte in
348 tab.~\ref{tab:file_bit_perm}. Questi permessi sono filtrati dal valore di
349 \var{umask} (vedi sez.~\ref{sec:file_umask}) per il processo.
351 La funzione prevede diverse opzioni, che vengono specificate usando vari bit
352 dell'argomento \param{flags}. Alcuni di questi bit vanno anche a costituire
353 il flag di stato del file (o \textit{file status flag}), che è mantenuto nel
354 campo \var{f\_flags} della struttura \struct{file} (al solito si veda lo schema
355 di fig.~\ref{fig:file_proc_file}). Essi sono divisi in tre categorie
358 \item \textsl{i bit delle modalità di accesso}: specificano con quale modalità
359 si accederà al file: i valori possibili sono lettura, scrittura o
360 lettura/scrittura. Uno di questi bit deve essere sempre specificato quando
361 si apre un file. Vengono impostati alla chiamata da \func{open}, e possono
362 essere riletti con \func{fcntl} (fanno parte del \textit{file status flag}),
363 ma non possono essere modificati.
364 \item \textsl{i bit delle modalità di apertura}: permettono di specificare
365 alcune delle caratteristiche del comportamento di \func{open} quando viene
366 eseguita. Hanno effetto solo al momento della chiamata della funzione e non
367 sono memorizzati né possono essere riletti.
368 \item \textsl{i bit delle modalità di operazione}: permettono di specificare
369 alcune caratteristiche del comportamento delle future operazioni sul file
370 (come \func{read} o \func{write}). Anch'essi fan parte del \textit{file
371 status flag}. Il loro valore è impostato alla chiamata di \func{open}, ma
372 possono essere riletti e modificati (insieme alle caratteristiche operative
373 che controllano) con una \func{fcntl}.
376 In tab.~\ref{tab:file_open_flags} sono riportate, ordinate e divise fra loro
377 secondo le tre modalità appena elencate, le costanti mnemoniche associate a
378 ciascuno di questi bit. Dette costanti possono essere combinate fra loro con
379 un OR aritmetico per costruire il valore (in forma di maschera binaria)
380 dell'argomento \param{flags} da passare alla \func{open}. I due flag
381 \const{O\_NOFOLLOW} e \const{O\_DIRECTORY} sono estensioni specifiche di
382 Linux, e deve essere definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} per poterli
385 Nelle prime versioni di Unix i valori di \param{flag} specificabili per
386 \func{open} erano solo quelli relativi alle modalità di accesso del file. Per
387 questo motivo per creare un nuovo file c'era una system call apposita,
388 \funcd{creat}, il cui prototipo è:
389 \begin{prototype}{fcntl.h}
390 {int creat(const char *pathname, mode\_t mode)}
391 Crea un nuovo file vuoto, con i permessi specificati da \param{mode}. È del
392 tutto equivalente a \code{open(filedes, O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)}.
394 \noindent adesso questa funzione resta solo per compatibilità con i vecchi
398 \subsection{La funzione \func{close}}
399 \label{sec:file_close}
401 La funzione \funcd{close} permette di chiudere un file, in questo modo il file
402 descriptor ritorna disponibile; il suo prototipo è:
403 \begin{prototype}{unistd.h}{int close(int fd)}
404 Chiude il descrittore \param{fd}.
406 \bodydesc{La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 in caso di errore,
407 con \var{errno} che assume i valori:
409 \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un descrittore valido.
410 \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
412 ed inoltre \errval{EIO}.}
415 La chiusura di un file rilascia ogni blocco (il \textit{file
416 locking}\index{file!locking} è trattato in sez.~\ref{sec:file_locking}) che
417 il processo poteva avere acquisito su di esso; se \param{fd} è l'ultimo
418 riferimento (di eventuali copie) ad un file aperto, tutte le risorse nella
419 file table vengono rilasciate. Infine se il file descriptor era l'ultimo
420 riferimento ad un file su disco quest'ultimo viene cancellato.
422 Si ricordi che quando un processo termina anche tutti i suoi file descriptor
423 vengono chiusi, molti programmi sfruttano questa caratteristica e non usano
424 esplicitamente \func{close}. In genere comunque chiudere un file senza
425 controllarne lo stato di uscita è errore; infatti molti filesystem
426 implementano la tecnica del \textit{write-behind}, per cui una \func{write}
427 può avere successo anche se i dati non sono stati scritti, un eventuale errore
428 di I/O allora può sfuggire, ma verrà riportato alla chiusura del file: per
429 questo motivo non effettuare il controllo può portare ad una perdita di dati
430 inavvertita.\footnote{in Linux questo comportamento è stato osservato con NFS
431 e le quote su disco.}
433 In ogni caso una \func{close} andata a buon fine non garantisce che i dati
434 siano stati effettivamente scritti su disco, perché il kernel può decidere di
435 ottimizzare l'accesso a disco ritardandone la scrittura. L'uso della funzione
436 \func{sync} (vedi sez.~\ref{sec:file_sync}) effettua esplicitamente il
437 \emph{flush} dei dati, ma anche in questo caso resta l'incertezza dovuta al
438 comportamento dell'hardware (che a sua volta può introdurre ottimizzazioni
439 dell'accesso al disco che ritardano la scrittura dei dati, da cui l'abitudine
440 di ripetere tre volte il comando prima di eseguire lo shutdown).
443 \subsection{La funzione \func{lseek}}
444 \label{sec:file_lseek}
446 Come già accennato in sez.~\ref{sec:file_fd} a ciascun file aperto è associata
447 una \textsl{posizione corrente nel file} (il cosiddetto \textit{file offset},
448 mantenuto nel campo \var{f\_pos} di \struct{file}) espressa da un numero intero
449 positivo come numero di byte dall'inizio del file. Tutte le operazioni di
450 lettura e scrittura avvengono a partire da questa posizione che viene
451 automaticamente spostata in avanti del numero di byte letti o scritti.
453 In genere (a meno di non avere richiesto la modalità \const{O\_APPEND}) questa
454 posizione viene impostata a zero all'apertura del file. È possibile impostarla
455 ad un valore qualsiasi con la funzione \funcd{lseek}, il cui prototipo è:
457 \headdecl{sys/types.h}
459 \funcdecl{off\_t lseek(int fd, off\_t offset, int whence)}
460 Imposta la posizione attuale nel file.
462 \bodydesc{La funzione ritorna il valore della posizione corrente in caso di
463 successo e -1 in caso di errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei
466 \item[\errcode{ESPIPE}] \param{fd} è una pipe, un socket\index{socket} o una
468 \item[\errcode{EINVAL}] \param{whence} non è un valore valido.
470 ed inoltre \errval{EBADF}.}
473 La nuova posizione è impostata usando il valore specificato da \param{offset},
474 sommato al riferimento dato da \param{whence}; quest'ultimo può assumere i
475 seguenti valori\footnote{per compatibilità con alcune vecchie notazioni
476 questi valori possono essere rimpiazzati rispettivamente con 0, 1 e 2 o con
477 \const{L\_SET}, \const{L\_INCR} e \const{L\_XTND}.}:
478 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
479 \item[\const{SEEK\_SET}] si fa riferimento all'inizio del file: il valore
480 (sempre positivo) di \param{offset} indica direttamente la nuova posizione
482 \item[\const{SEEK\_CUR}] si fa riferimento alla posizione corrente del file:
483 ad essa viene sommato \param{offset} (che può essere negativo e positivo)
484 per ottenere la nuova posizione corrente.
485 \item[\const{SEEK\_END}] si fa riferimento alla fine del file: alle dimensioni
486 del file viene sommato \param{offset} (che può essere negativo e positivo)
487 per ottenere la nuova posizione corrente.
490 Come accennato in sez.~\ref{sec:file_file_size} con \func{lseek} è possibile
491 impostare la posizione corrente anche oltre la fine del file, e alla
492 successiva scrittura il file sarà esteso. La chiamata non causa nessun accesso
493 al file, si limita a modificare la posizione corrente (cioè il valore
494 \var{f\_pos} in \param{file}, vedi fig.~\ref{fig:file_proc_file}). Dato che la
495 funzione ritorna la nuova posizione, usando il valore zero per \param{offset}
496 si può riottenere la posizione corrente nel file chiamando la funzione con
497 \code{lseek(fd, 0, SEEK\_CUR)}.
499 Si tenga presente inoltre che usare \const{SEEK\_END} non assicura affatto che
500 la successiva scrittura avvenga alla fine del file, infatti se questo è stato
501 aperto anche da un altro processo che vi ha scritto, la fine del file può
502 essersi spostata, ma noi scriveremo alla posizione impostata in precedenza
503 (questa è una potenziale sorgente di \textit{race condition}
504 \index{race condition}, vedi sez.~\ref{sec:file_atomic}).
506 Non tutti i file supportano la capacità di eseguire una \func{lseek}, in
507 questo caso la funzione ritorna l'errore \errcode{EPIPE}. Questo, oltre che per
508 i tre casi citati nel prototipo, vale anche per tutti quei dispositivi che non
509 supportano questa funzione, come ad esempio per i file di
510 terminale.\footnote{altri sistemi, usando \const{SEEK\_SET}, in questo caso
511 ritornano il numero di caratteri che vi sono stati scritti.} Lo standard
512 POSIX però non specifica niente in proposito. Infine alcuni file speciali, ad
513 esempio \file{/dev/null}, non causano un errore ma restituiscono un valore
517 \subsection{La funzione \func{read}}
518 \label{sec:file_read}
521 Una volta che un file è stato aperto (con il permesso in lettura) si possono
522 leggere i dati che contiene utilizzando la funzione \funcd{read}, il cui
524 \begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t read(int fd, void * buf, size\_t count)}
526 Cerca di leggere \param{count} byte dal file \param{fd} al buffer
529 \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e
530 -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
532 \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
533 aver potuto leggere qualsiasi dato.
534 \item[\errcode{EAGAIN}] la funzione non aveva nessun dato da restituire e si
535 era aperto il file in modalità \const{O\_NONBLOCK}.
537 ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EIO}, \errval{EISDIR}, \errval{EBADF},
538 \errval{EINVAL} e \errval{EFAULT} ed eventuali altri errori dipendenti dalla
539 natura dell'oggetto connesso a \param{fd}.}
542 La funzione tenta di leggere \param{count} byte a partire dalla posizione
543 corrente nel file. Dopo la lettura la posizione sul file è spostata
544 automaticamente in avanti del numero di byte letti. Se \param{count} è zero la
545 funzione restituisce zero senza nessun altro risultato. Si deve sempre tener
546 presente che non è detto che la funzione \func{read} restituisca sempre il
547 numero di byte richiesto, ci sono infatti varie ragioni per cui la funzione
548 può restituire un numero di byte inferiore; questo è un comportamento normale,
549 e non un errore, che bisogna sempre tenere presente.
551 La prima e più ovvia di queste ragioni è che si è chiesto di leggere più byte
552 di quanto il file ne contenga. In questo caso il file viene letto fino alla
553 sua fine, e la funzione ritorna regolarmente il numero di byte letti
554 effettivamente. Raggiunta la fine del file, alla ripetizione di un'operazione
555 di lettura, otterremmo il ritorno immediato di \func{read} con uno zero. La
556 condizione di raggiungimento della fine del file non è un errore, e viene
557 segnalata appunto da un valore di ritorno di \func{read} nullo. Ripetere
558 ulteriormente la lettura non avrebbe nessun effetto se non quello di
559 continuare a ricevere zero come valore di ritorno.
561 Con i \textsl{file regolari} questa è l'unica situazione in cui si può avere
562 un numero di byte letti inferiore a quello richiesto, ma questo non è vero
563 quando si legge da un terminale, da una fifo o da una pipe. In tal caso
564 infatti, se non ci sono dati in ingresso, la \func{read} si blocca (a meno di
565 non aver selezionato la modalità non bloccante, vedi
566 sez.~\ref{sec:file_noblocking}) e ritorna solo quando ne arrivano; se il numero
567 di byte richiesti eccede quelli disponibili la funzione ritorna comunque, ma
568 con un numero di byte inferiore a quelli richiesti.
570 Lo stesso comportamento avviene caso di lettura dalla rete (cioè su un
571 socket\index{socket}, come vedremo in sez.~\ref{sec:sock_io_behav}), o per la
572 lettura da certi file di dispositivo, come le unità a nastro, che
573 restituiscono sempre i dati ad un singolo blocco alla volta.
575 In realtà anche le due condizioni segnalate dagli errori \errcode{EINTR} e
576 \errcode{EAGAIN} non sono errori. La prima si verifica quando la \func{read} è
577 bloccata in attesa di dati in ingresso e viene interrotta da un segnale; in
578 tal caso l'azione da intraprendere è quella di rieseguire la funzione.
579 Torneremo in dettaglio sull'argomento in sez.~\ref{sec:sig_gen_beha}. La
580 seconda si verifica quando il file è in modalità non bloccante (vedi
581 sez.~\ref{sec:file_noblocking}) e non ci sono dati in ingresso: la funzione
582 allora ritorna immediatamente con un errore \errcode{EAGAIN}\footnote{BSD usa
583 per questo errore la costante \errcode{EWOULDBLOCK}, in Linux, con le
584 \acr{glibc}, questa è sinonima di \errcode{EAGAIN}.} che indica soltanto che
585 occorrerà provare a ripetere la lettura.
587 La funzione \func{read} è una delle system call fondamentali, esistenti fin
588 dagli albori di Unix, ma nella seconda versione delle \textit{Single Unix
589 Specification}\footnote{questa funzione, e l'analoga \func{pwrite} sono
590 state aggiunte nel kernel 2.1.60, il supporto nelle \acr{glibc}, compresa
591 l'emulazione per i vecchi kernel che non hanno la system call, è stato
592 aggiunto con la versione 2.1, in versioni precedenti sia del kernel che
593 delle librerie la funzione non è disponibile.} (quello che viene chiamato
594 normalmente Unix98, vedi sez.~\ref{sec:intro_opengroup}) è stata introdotta la
595 definizione di un'altra funzione di lettura, \funcd{pread}, il cui prototipo è:
596 \begin{prototype}{unistd.h}
597 {ssize\_t pread(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
599 Cerca di leggere \param{count} byte dal file \param{fd}, a partire dalla
600 posizione \param{offset}, nel buffer \param{buf}.
602 \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1
603 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
604 \func{read} e \func{lseek}.}
606 \noindent che però diventa accessibile solo con la definizione della macro:
608 #define _XOPEN_SOURCE 500
611 Questa funzione serve quando si vogliono leggere dati dal file senza
612 modificare la posizione corrente. È equivalente all'esecuzione di una
613 \func{read} seguita da una \func{lseek} che riporti al valore precedente la
614 posizione corrente sul file, ma permette di eseguire l'operazione
615 atomicamente. Questo può essere importante quando la posizione sul file viene
616 condivisa da processi diversi (vedi sez.~\ref{sec:file_sharing}). Il valore di
617 \param{offset} fa sempre riferimento all'inizio del file.
620 \subsection{La funzione \func{write}}
621 \label{sec:file_write}
623 Una volta che un file è stato aperto (con il permesso in scrittura) su può
624 scrivere su di esso utilizzando la funzione \funcd{write}, il cui prototipo è:
625 \begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t write(int fd, void * buf, size\_t count)}
627 Scrive \param{count} byte dal buffer \param{buf} sul file \param{fd}.
629 \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte scritti in caso di successo
630 e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
632 \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è connesso ad un oggetto che non consente
634 \item[\errcode{EFBIG}] si è cercato di scrivere oltre la dimensione massima
635 consentita dal filesystem o il limite per le dimensioni dei file del
636 processo o su una posizione oltre il massimo consentito.
637 \item[\errcode{EPIPE}] \param{fd} è connesso ad una pipe il cui altro capo è
638 chiuso in lettura; in questo caso viene anche generato il segnale
639 \const{SIGPIPE}, se questo viene gestito (o bloccato o ignorato) la
640 funzione ritorna questo errore.
641 \item[\errcode{EINTR}] si è stati interrotti da un segnale prima di aver
642 potuto scrivere qualsiasi dato.
643 \item[\errcode{EAGAIN}] ci si sarebbe bloccati, ma il file era aperto in
644 modalità \const{O\_NONBLOCK}.
646 ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EIO}, \errval{EISDIR}, \errval{EBADF},
647 \errval{ENOSPC}, \errval{EINVAL} e \errval{EFAULT} ed eventuali altri errori
648 dipendenti dalla natura dell'oggetto connesso a \param{fd}.}
651 Come nel caso di \func{read} la funzione tenta di scrivere \param{count} byte
652 a partire dalla posizione corrente nel file e sposta automaticamente la
653 posizione in avanti del numero di byte scritti. Se il file è aperto in
654 modalità \const{O\_APPEND} i dati vengono sempre scritti alla fine del file.
655 Lo standard POSIX richiede che i dati scritti siano immediatamente disponibili
656 ad una \func{read} chiamata dopo che la \func{write} che li ha scritti è
657 ritornata; ma dati i meccanismi di caching non è detto che tutti i filesystem
658 supportino questa capacità.
660 Se \param{count} è zero la funzione restituisce zero senza fare nient'altro.
661 Per i file ordinari il numero di byte scritti è sempre uguale a quello
662 indicato da \param{count}, a meno di un errore. Negli altri casi si ha lo
663 stesso comportamento di \func{read}.
665 Anche per \func{write} lo standard Unix98 definisce un'analoga \funcd{pwrite}
666 per scrivere alla posizione indicata senza modificare la posizione corrente
667 nel file, il suo prototipo è:
668 \begin{prototype}{unistd.h}
669 {ssize\_t pwrite(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
671 Cerca di scrivere sul file \param{fd}, a partire dalla posizione
672 \param{offset}, \param{count} byte dal buffer \param{buf}.
674 \bodydesc{La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1
675 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori già visti per
676 \func{write} e \func{lseek}.}
678 \noindent e per essa valgono le stesse considerazioni fatte per \func{pread}.
681 \section{Caratteristiche avanzate}
682 \label{sec:file_adv_func}
684 In questa sezione approfondiremo alcune delle caratteristiche più sottili
685 della gestione file in un sistema unix-like, esaminando in dettaglio il
686 comportamento delle funzioni base, inoltre tratteremo le funzioni che
687 permettono di eseguire alcune operazioni avanzate con i file (il grosso
688 dell'argomento sarà comunque affrontato in cap.~\ref{cha:file_advanced}).
691 \subsection{La condivisione dei files}
692 \label{sec:file_sharing}
694 In sez.~\ref{sec:file_fd} abbiamo descritto brevemente l'architettura
695 dell'interfaccia con i file da parte di un processo, mostrando in
696 fig.~\ref{fig:file_proc_file} le principali strutture usate dal kernel;
697 esamineremo ora in dettaglio le conseguenze che questa architettura ha nei
698 confronti dell'accesso allo stesso file da parte di processi diversi.
702 \includegraphics[width=15cm]{img/filemultacc}
703 \caption{Schema dell'accesso allo stesso file da parte di due processi
705 \label{fig:file_mult_acc}
708 Il primo caso è quello in cui due processi diversi aprono lo stesso file
709 su disco; sulla base di quanto visto in sez.~\ref{sec:file_fd} avremo una
710 situazione come quella illustrata in fig.~\ref{fig:file_mult_acc}: ciascun
711 processo avrà una sua voce nella \textit{file table} referenziata da un
712 diverso file descriptor nella sua \struct{file\_struct}. Entrambe le voci
713 nella \textit{file table} faranno però riferimento allo stesso
714 inode\index{inode} su disco.
716 Questo significa che ciascun processo avrà la sua posizione corrente sul file,
717 la sua modalità di accesso e versioni proprie di tutte le proprietà che
718 vengono mantenute nella sua voce della \textit{file table}. Questo ha
719 conseguenze specifiche sugli effetti della possibile azione simultanea sullo
720 stesso file, in particolare occorre tenere presente che:
722 \item ciascun processo può scrivere indipendentemente; dopo ciascuna
723 \func{write} la posizione corrente sarà cambiata solo nel processo. Se la
724 scrittura eccede la dimensione corrente del file questo verrà esteso
725 automaticamente con l'aggiornamento del campo \var{i\_size}
726 nell'inode\index{inode}.
727 \item se un file è in modalità \const{O\_APPEND} tutte le volte che viene
728 effettuata una scrittura la posizione corrente viene prima impostata alla
729 dimensione corrente del file letta dall'inode\index{inode}. Dopo la
730 scrittura il file viene automaticamente esteso.
731 \item l'effetto di \func{lseek} è solo quello di cambiare il campo
732 \var{f\_pos} nella struttura \struct{file} della \textit{file table}, non
733 c'è nessuna operazione sul file su disco. Quando la si usa per porsi alla
734 fine del file la posizione viene impostata leggendo la dimensione corrente
735 dall'inode\index{inode}.
740 \includegraphics[width=15cm]{img/fileshar}
741 \caption{Schema dell'accesso ai file da parte di un processo figlio}
742 \label{fig:file_acc_child}
745 Il secondo caso è quello in cui due file descriptor di due processi diversi
746 puntino alla stessa voce nella \textit{file table}; questo è ad esempio il
747 caso dei file aperti che vengono ereditati dal processo figlio all'esecuzione
748 di una \func{fork} (si ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:proc_fork}). La
749 situazione è illustrata in fig.~\ref{fig:file_acc_child}; dato che il processo
750 figlio riceve una copia dello spazio di indirizzi del padre, riceverà anche
751 una copia di \struct{file\_struct} e relativa tabella dei file aperti.
753 In questo modo padre e figlio avranno gli stessi file descriptor che faranno
754 riferimento alla stessa voce nella \textit{file table}, condividendo così la
755 posizione corrente sul file. Questo ha le conseguenze descritte a suo tempo in
756 sez.~\ref{sec:proc_fork}: in caso di scrittura contemporanea la posizione
757 corrente nel file varierà per entrambi i processi (in quanto verrà modificato
758 \var{f\_pos} che è lo stesso per entrambi).
760 Si noti inoltre che anche i flag di stato del file (quelli impostati
761 dall'argomento \param{flag} di \func{open}) essendo tenuti nella voce della
762 \textit{file table}\footnote{per la precisione nel campo \var{f\_flags} di
763 \struct{file}.}, vengono in questo caso condivisi. Ai file però sono
764 associati anche altri flag, dei quali l'unico usato al momento è
765 \const{FD\_CLOEXEC}, detti \textit{file descriptor flags}. Questi ultimi sono
766 tenuti invece in \struct{file\_struct}, e perciò sono specifici di ciascun
767 processo e non vengono modificati dalle azioni degli altri anche in caso di
768 condivisione della stessa voce della \textit{file table}.
772 \subsection{Operazioni atomiche con i file}
773 \label{sec:file_atomic}
775 Come si è visto in un sistema unix-like è sempre possibile per più processi
776 accedere in contemporanea allo stesso file, e che le operazioni di lettura e
777 scrittura possono essere fatte da ogni processo in maniera autonoma in base
778 ad una posizione corrente nel file che è locale a ciascuno di essi.
780 Se dal punto di vista della lettura dei dati questo non comporta nessun
781 problema, quando si andrà a scrivere le operazioni potranno mescolarsi in
782 maniera imprevedibile. Il sistema però fornisce in alcuni casi la possibilità
783 di eseguire alcune operazioni di scrittura in maniera coordinata anche senza
784 utilizzare meccanismi di sincronizzazione più complessi (come il \textit{file
785 locking}\index{file!locking}, che esamineremo in
786 sez.~\ref{sec:file_locking}).
788 Un caso tipico di necessità di accesso condiviso in scrittura è quello in cui
789 vari processi devono scrivere alla fine di un file (ad esempio un file di
790 log). Come accennato in sez.~\ref{sec:file_lseek} impostare la posizione alla
791 fine del file e poi scrivere può condurre ad una \textit{race
792 condition}\index{race condition}: infatti può succedere che un secondo
793 processo scriva alla fine del file fra la \func{lseek} e la \func{write}; in
794 questo caso, come abbiamo appena visto, il file sarà esteso, ma il nostro
795 primo processo avrà ancora la posizione corrente impostata con la \func{lseek}
796 che non corrisponde più alla fine del file, e la successiva \func{write}
797 sovrascriverà i dati del secondo processo.
799 Il problema è che usare due system call in successione non è un'operazione
800 atomica; il problema è stato risolto introducendo la modalità
801 \const{O\_APPEND}. In questo caso infatti, come abbiamo descritto in
802 precedenza, è il kernel che aggiorna automaticamente la posizione alla fine
803 del file prima di effettuare la scrittura, e poi estende il file. Tutto questo
804 avviene all'interno di una singola system call (la \func{write}) che non
805 essendo interrompibile da un altro processo costituisce un'operazione atomica.
807 Un altro caso tipico in cui è necessaria l'atomicità è quello in cui si vuole
808 creare un \textsl{file di lock}\index{file!di lock}, bloccandosi se il file
809 esiste. In questo caso la sequenza logica porterebbe a verificare prima
810 l'esistenza del file con una \func{stat} per poi crearlo con una \func{creat};
811 di nuovo avremmo la possibilità di una race condition\index{race condition} da
812 parte di un altro processo che crea lo stesso file fra il controllo e la
815 Per questo motivo sono stati introdotti per \func{open} i due flag
816 \const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}. In questo modo l'operazione di controllo
817 dell'esistenza del file (con relativa uscita dalla funzione con un errore) e
818 creazione in caso di assenza, diventa atomica essendo svolta tutta all'interno
819 di una singola system call (per i dettagli sull'uso di questa caratteristica
820 si veda sez.~\ref{sec:ipc_file_lock}).
823 \subsection{La funzioni \func{sync} e \func{fsync}}
824 \label{sec:file_sync}
826 Come accennato in sez.~\ref{sec:file_close} tutte le operazioni di scrittura
827 sono in genere bufferizzate dal kernel, che provvede ad effettuarle in maniera
828 asincrona (ad esempio accorpando gli accessi alla stessa zona del disco) in un
829 secondo tempo rispetto al momento della esecuzione della \func{write}.
831 Per questo motivo, quando è necessaria una sincronizzazione dei dati, il
832 sistema mette a disposizione delle funzioni che provvedono a forzare lo
833 scarico dei dati dai buffer del kernel.\footnote{come già accennato neanche
834 questo dà la garanzia assoluta che i dati siano integri dopo la chiamata,
835 l'hardware dei dischi è in genere dotato di un suo meccanismo interno di
836 ottimizzazione per l'accesso al disco che può ritardare ulteriormente la
837 scrittura effettiva.} La prima di queste funzioni è \funcd{sync} il cui
839 \begin{prototype}{unistd.h}{int sync(void)}
841 Sincronizza il buffer della cache dei file col disco.
843 \bodydesc{La funzione ritorna sempre zero.}
845 \noindent i vari standard prevedono che la funzione si limiti a far partire
846 le operazioni, ritornando immediatamente; in Linux (dal kernel 1.3.20) invece
847 la funzione aspetta la conclusione delle operazioni di sincronizzazione del
850 La funzione viene usata dal comando \cmd{sync} quando si vuole forzare
851 esplicitamente lo scarico dei dati su disco, o dal demone di sistema
852 \cmd{update} che esegue lo scarico dei dati ad intervalli di tempo fissi: il
853 valore tradizionale, usato da BSD, per l'update dei dati è ogni 30 secondi, ma
854 in Linux il valore utilizzato è di 5 secondi; con le nuove versioni\footnote{a
855 partire dal kernel 2.2.8} poi, è il kernel che si occupa direttamente di
856 tutto quanto attraverso il demone interno \cmd{bdflush}, il cui comportamento
857 può essere controllato attraverso il file \file{/proc/sys/vm/bdflush} (per il
858 significato dei valori si può leggere la documentazione allegata al kernel in
859 \file{Documentation/sysctl/vm.txt}).
861 Quando si vogliono scaricare soltanto i dati di un file (ad esempio essere
862 sicuri che i dati di un database sono stati registrati su disco) si possono
863 usare le due funzioni \funcd{fsync} e \funcd{fdatasync}, i cui prototipi sono:
866 \funcdecl{int fsync(int fd)}
867 Sincronizza dati e metadati del file \param{fd}
868 \funcdecl{int fdatasync(int fd)}
869 Sincronizza i dati del file \param{fd}.
871 \bodydesc{La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 in caso di errore,
872 nel qual caso \var{errno} assume i valori:
874 \item[\errcode{EINVAL}] \param{fd} è un file speciale che non supporta la
877 ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EROFS} e \errval{EIO}.}
880 Entrambe le funzioni forzano la sincronizzazione col disco di tutti i dati del
881 file specificato, ed attendono fino alla conclusione delle operazioni;
882 \func{fsync} forza anche la sincronizzazione dei metadati del file (che
883 riguardano sia le modifiche alle tabelle di allocazione dei settori, che gli
884 altri dati contenuti nell'inode\index{inode} che si leggono con \func{fstat},
885 come i tempi del file).
887 Si tenga presente che questo non comporta la sincronizzazione della
888 directory che contiene il file (e scrittura della relativa voce su
889 disco) che deve essere effettuata esplicitamente.\footnote{in realtà per
890 il filesystem \acr{ext2}, quando lo si monta con l'opzione \cmd{sync},
891 il kernel provvede anche alla sincronizzazione automatica delle voci
895 \subsection{La funzioni \func{dup} e \func{dup2}}
898 Abbiamo già visto in sez.~\ref{sec:file_sharing} come un processo figlio
899 condivida gli stessi file descriptor del padre; è possibile però ottenere un
900 comportamento analogo all'interno di uno stesso processo \textit{duplicando}
901 un file descriptor. Per far questo si usa la funzione \funcd{dup} il cui
903 \begin{prototype}{unistd.h}{int dup(int oldfd)}
904 Crea una copia del file descriptor \param{oldfd}.
906 \bodydesc{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e
907 -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei
910 \item[\errcode{EBADF}] \param{oldfd} non è un file aperto.
911 \item[\errcode{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo consentito di file
916 La funzione ritorna, come \func{open}, il primo file descriptor libero. Il
917 file descriptor è una copia esatta del precedente ed entrambi possono essere
918 interscambiati nell'uso. Per capire meglio il funzionamento della funzione si
919 può fare riferimento a fig.~\ref{fig:file_dup}: l'effetto della funzione è
920 semplicemente quello di copiare il valore nella struttura
921 \struct{file\_struct}, cosicché anche il nuovo file descriptor fa riferimento
922 alla stessa voce nella \textit{file table}; per questo si dice che il nuovo
923 file descriptor è \textsl{duplicato}, da cui il nome della funzione.
926 \centering \includegraphics[width=15cm]{img/filedup}
927 \caption{Schema dell'accesso ai file duplicati}
931 Si noti che per quanto illustrato in fig.~\ref{fig:file_dup} i file descriptor
932 duplicati condivideranno eventuali lock, \textit{file status flag}, e
933 posizione corrente. Se ad esempio si esegue una \func{lseek} per modificare la
934 posizione su uno dei due file descriptor, essa risulterà modificata anche
935 sull'altro (dato che quello che viene modificato è lo stesso campo nella voce
936 della \textit{file table} a cui entrambi fanno riferimento). L'unica
937 differenza fra due file descriptor duplicati è che ciascuno avrà il suo
938 \textit{file descriptor flag}; a questo proposito va specificato che nel caso
939 di \func{dup} il flag di \textit{close-on-exec}\index{close-on-exec} (vedi
940 sez.~\ref{sec:proc_exec} e sez.~\ref{sec:file_fcntl}) viene sempre cancellato
943 L'uso principale di questa funzione è per la redirezione dell'input e
944 dell'output fra l'esecuzione di una \func{fork} e la successiva \func{exec};
945 diventa così possibile associare un file (o una pipe) allo standard input o
946 allo standard output (torneremo sull'argomento in sez.~\ref{sec:ipc_pipe_use},
947 quando tratteremo le pipe). Per fare questo in genere occorre prima chiudere
948 il file che si vuole sostituire, cosicché il suo file descriptor possa esser
949 restituito alla chiamata di \func{dup}, come primo file descriptor
952 Dato che questa è l'operazione più comune, è prevista una diversa versione
953 della funzione, \funcd{dup2}, che permette di specificare esplicitamente
954 qual'è il valore di file descriptor che si vuole avere come duplicato; il suo
956 \begin{prototype}{unistd.h}{int dup2(int oldfd, int newfd)}
958 Rende \param{newfd} una copia del file descriptor \param{oldfd}.
960 \bodydesc{La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e
961 -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
963 \item[\errcode{EBADF}] \param{oldfd} non è un file aperto o \param{newfd} ha
964 un valore fuori dall'intervallo consentito per i file descriptor.
965 \item[\errcode{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo consentito di file
969 \noindent e qualora il file descriptor \param{newfd} sia già aperto (come
970 avviene ad esempio nel caso della duplicazione di uno dei file standard) esso
971 sarà prima chiuso e poi duplicato (così che il file duplicato sarà connesso
972 allo stesso valore per il file descriptor).
974 La duplicazione dei file descriptor può essere effettuata anche usando la
975 funzione di controllo dei file \func{fnctl} (che esamineremo in
976 sez.~\ref{sec:file_fcntl}) con il parametro \const{F\_DUPFD}. L'operazione ha
977 la sintassi \code{fnctl(oldfd, F\_DUPFD, newfd)} e se si usa 0 come valore per
978 \param{newfd} diventa equivalente a \func{dup}.
980 La sola differenza fra le due funzioni\footnote{a parte la sintassi ed i
981 diversi codici di errore.} è che \func{dup2} chiude il file descriptor
982 \param{newfd} se questo è già aperto, garantendo che la duplicazione sia
983 effettuata esattamente su di esso, invece \func{fcntl} restituisce il primo
984 file descriptor libero di valore uguale o maggiore di \param{newfd} (e se
985 \param{newfd} è aperto la duplicazione avverrà su un altro file descriptor).
988 \subsection{La funzione \func{fcntl}}
989 \label{sec:file_fcntl}
991 Oltre alle operazioni base esaminate in sez.~\ref{sec:file_base_func} esistono
992 tutta una serie di operazioni ausiliarie che è possibile eseguire su un file
993 descriptor, che non riguardano la normale lettura e scrittura di dati, ma la
994 gestione sia delle loro proprietà, che di tutta una serie di ulteriori
995 funzionalità che il kernel può mettere a disposizione.\footnote{ad esempio si
996 gestiscono con questa funzione varie modalità di I/O asincrono (vedi
997 sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}) e il file
998 locking\index{file!locking} (vedi sez.~\ref{sec:file_locking}).}
1000 Per queste operazioni di manipolazione e di controllo delle varie proprietà e
1001 caratteristiche di un file descriptor, viene usata la funzione \funcd{fcntl},
1006 \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd)}
1007 \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, long arg)}
1008 \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, struct flock * lock)}
1009 Esegue una delle possibili operazioni specificate da \param{cmd}
1010 sul file \param{fd}.
1012 \bodydesc{La funzione ha valori di ritorno diversi a seconda
1013 dell'operazione. In caso di errore il valore di ritorno è sempre -1 ed il
1014 codice dell'errore è restituito nella variabile \var{errno}; i codici
1015 possibili dipendono dal tipo di operazione, l'unico valido in generale è:
1017 \item[\errcode{EBADF}] \param{fd} non è un file aperto.
1022 Il primo argomento della funzione è sempre il numero di file descriptor
1023 \var{fd} su cui si vuole operare. Il comportamento di questa funzione, il
1024 numero e il tipo degli argomenti, il valore di ritorno e gli eventuali errori
1025 sono determinati dal valore dell'argomento \param{cmd} che in sostanza
1026 corrisponde all'esecuzione di un determinato \textsl{comando}; in
1027 sez.~\ref{sec:file_dup} abbiamo incontrato un esempio dell'uso di \func{fcntl}
1028 per la duplicazione dei file descriptor, una lista di tutti i possibili valori
1029 per \var{cmd} è riportata di seguito:
1030 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
1031 \item[\const{F\_DUPFD}] trova il primo file descriptor disponibile di valore
1032 maggiore o uguale ad \param{arg} e ne fa una copia di \param{fd}. Ritorna il
1033 nuovo file descriptor in caso di successo e -1 in caso di errore. Gli errori
1034 possibili sono \errcode{EINVAL} se \param{arg} è negativo o maggiore del
1035 massimo consentito o \errcode{EMFILE} se il processo ha già raggiunto il
1036 massimo numero di descrittori consentito.
1037 \item[\const{F\_SETFD}] imposta il valore del \textit{file descriptor flag} al
1038 valore specificato con \param{arg}. Al momento l'unico bit usato è quello di
1039 \textit{close-on-exec}\index{close-on-exec}, identificato dalla costante
1040 \const{FD\_CLOEXEC}, che serve a richiedere che il file venga chiuso nella
1041 esecuzione di una \func{exec} (vedi sez.~\ref{sec:proc_exec}). Ritorna un
1042 valore nullo in caso di successo e -1 in caso di errore.
1043 \item[\const{F\_GETFD}] ritorna il valore del \textit{file descriptor flag} di
1044 \param{fd} o -1 in caso di errore; se \const{FD\_CLOEXEC} è impostato i file
1045 descriptor aperti vengono chiusi attraverso una \func{exec} altrimenti (il
1046 comportamento predefinito) restano aperti.
1047 \item[\const{F\_GETFL}] ritorna il valore del \textit{file status flag} in
1048 caso di successo o -1 in caso di errore; permette cioè di rileggere quei bit
1049 impostati da \func{open} all'apertura del file che vengono memorizzati
1050 (quelli riportati nella prima e terza sezione di
1051 tab.~\ref{tab:file_open_flags}).
1052 \item[\const{F\_SETFL}] imposta il \textit{file status flag} al valore
1053 specificato da \param{arg}, ritorna un valore nullo in caso di successo o -1
1054 in caso di errore. Possono essere impostati solo i bit riportati nella terza
1055 sezione di tab.~\ref{tab:file_open_flags}.\footnote{la pagina di manuale
1056 riporta come impostabili solo \const{O\_APPEND}, \const{O\_NONBLOCK} e
1058 \item[\const{F\_GETLK}] richiede un controllo sul file lock specificato da
1059 \param{lock}, sovrascrivendo la struttura da esso puntata con il risultato,
1060 ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in caso di errore. Questa
1061 funzionalità è trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
1062 \item[\const{F\_SETLK}] richiede o rilascia un file lock a seconda di quanto
1063 specificato nella struttura puntata da \param{lock}. Se il lock è tenuto da
1064 qualcun'altro ritorna immediatamente restituendo -1 e imposta \var{errno} a
1065 \errcode{EACCES} o \errcode{EAGAIN}, in caso di successo ritorna un valore
1066 nullo. Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
1067 sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
1068 \item[\const{F\_SETLKW}] identica a \const{F\_SETLK} eccetto per il fatto che
1069 la funzione non ritorna subito ma attende che il blocco sia rilasciato. Se
1070 l'attesa viene interrotta da un segnale la funzione restituisce -1 e imposta
1071 \var{errno} a \errcode{EINTR}, in caso di successo ritorna un valore nullo.
1072 Questa funzionalità è trattata in dettaglio in
1073 sez.~\ref{sec:file_posix_lock}.
1074 \item[\const{F\_GETOWN}] restituisce il \acr{pid} del processo o
1075 l'identificatore del process group\footnote{i \texttt{process group} sono
1076 (vedi sez.~\ref{sec:sess_proc_group}) raggruppamenti di processi usati nel
1077 controllo di sessione; a ciascuno di essi è associato un identificatore
1078 (un numero positivo analogo al \acr{pid}).} che è preposto alla ricezione
1079 dei segnali \const{SIGIO} e \const{SIGURG} per gli eventi associati al file
1080 descriptor \param{fd}. Nel caso di un process group viene restituito un
1081 valore negativo il cui valore assoluto corrisponde all'identificatore del
1082 process group. In caso di errore viene restituito -1.
1083 \item[\const{F\_SETOWN}] imposta, con il valore dell'argomento \param{arg},
1084 l'identificatore del processo o del \textit{process group} che riceverà i
1085 segnali \const{SIGIO} e \const{SIGURG} per gli eventi associati al file
1086 descriptor \param{fd}, ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in
1087 caso di errore. Come per \const{F\_GETOWN}, per impostare un
1088 \textit{process group} si deve usare per \param{arg} un valore negativo, il
1089 cui valore assoluto corrisponde all'identificatore del \textit{process
1091 \item[\const{F\_GETSIG}] restituisce il valore del segnale inviato quando ci
1092 sono dati disponibili in ingresso su un file descriptor aperto ed impostato
1093 per l'I/O asincrono (si veda sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}). Il valore 0
1094 indica il valore predefinito (che è \const{SIGIO}), un valore diverso da
1095 zero indica il segnale richiesto, (che può essere anche lo stesso
1096 \const{SIGIO}). In caso di errore ritorna -1.
1097 \item[\const{F\_SETSIG}] imposta il segnale da inviare quando diventa
1098 possibile effettuare I/O sul file descriptor in caso di I/O asincrono,
1099 ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in caso di errore. Il
1100 valore zero indica di usare il segnale predefinito, \const{SIGIO}. Un altro
1101 valore diverso da zero (compreso lo stesso \const{SIGIO}) specifica il
1102 segnale voluto; l'uso di un valore diverso da zero permette inoltre, se si è
1103 installato il gestore del segnale come \var{sa\_sigaction} usando
1104 \const{SA\_SIGINFO}, (vedi sez.~\ref{sec:sig_sigaction}), di rendere
1105 disponibili al gestore informazioni ulteriori riguardo il file che ha
1106 generato il segnale attraverso i valori restituiti in \struct{siginfo\_t}
1107 (come vedremo in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}).\footnote{i due comandi
1108 \const{F\_SETSIG} e \const{F\_GETSIG} sono una estensione specifica di
1110 \item[\const{F\_SETLEASE}] imposta o rimuove un \textit{file
1111 lease}\footnote{questa è una nuova funzionalità, specifica di Linux, e
1112 presente solo a partire dai kernel della serie 2.4.x, in cui il processo
1113 che detiene un \textit{lease} su un file riceve una notifica qualora un
1114 altro processo cerca di eseguire una \func{open} o una \func{truncate} su
1115 di esso.} sul file descriptor \var{fd} a seconda del valore del terzo
1116 argomento, che in questo caso è un \ctyp{int}, ritorna un valore nullo in
1117 caso di successo o -1 in caso di errore. Questa funzionalità avanzata è
1118 trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
1119 \item[\const{F\_GETLEASE}] restituisce il tipo di \textit{file lease} che il
1120 processo detiene nei confronti del file descriptor \var{fd} o -1 in caso di
1121 errore. Con questo comando il terzo argomento può essere omesso. Questa
1122 funzionalità avanzata è trattata in dettaglio in
1123 sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
1124 \item[\const{F\_NOTIFY}] attiva un meccanismo di notifica per cui viene
1125 riportata al processo chiamante, tramite il segnale \const{SIGIO} (o altro
1126 segnale specificato con \const{F\_SETSIG}) ogni modifica eseguita o
1127 direttamente sulla directory cui \var{fd} fa riferimento, o su uno dei file
1128 in essa contenuti; ritorna un valore nullo in caso di successo o -1 in caso
1129 di errore. Questa funzionalità avanzata, disponibile dai kernel della serie
1130 2.4.x, è trattata in dettaglio in sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.
1133 La maggior parte delle funzionalità di \func{fcntl} sono troppo avanzate per
1134 poter essere affrontate in tutti i loro aspetti a questo punto; saranno
1135 pertanto riprese più avanti quando affronteremo le problematiche ad esse
1136 relative. In particolare le tematiche relative all'I/O asincrono e ai vari
1137 meccanismi di notifica saranno trattate in maniera esaustiva in
1138 sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation} mentre quelle relative al
1139 \textit{file locking}\index{file!locking} saranno esaminate in
1140 sez.~\ref{sec:file_locking}).
1143 Si tenga presente infine che quando si usa la funzione per determinare le
1144 modalità di accesso con cui è stato aperto il file (attraverso l'uso del
1145 comando \const{F\_GETFL}) è necessario estrarre i bit corrispondenti nel
1146 \textit{file status flag} che si è ottenuto. Infatti la definizione corrente
1147 di quest'ultimo non assegna bit separati alle tre diverse modalità
1148 \const{O\_RDONLY}, \const{O\_WRONLY} e \const{O\_RDWR}.\footnote{in Linux
1149 queste costanti sono poste rispettivamente ai valori 0, 1 e 2.} Per questo
1150 motivo il valore della modalità di accesso corrente si ottiene eseguendo un
1151 AND binario del valore di ritorno di \func{fcntl} con la maschera
1152 \const{O\_ACCMODE} (anch'essa definita in \file{fcntl.h}), che estrae i bit di
1153 accesso dal \textit{file status flag}.
1157 \subsection{La funzione \func{ioctl}}
1158 \label{sec:file_ioctl}
1160 Benché il concetto di \textit{everything is a file} si sia dimostratato molto
1161 valido anche per l'interazione con i dispositivi più vari, fornendo una
1162 interfaccia che permette di interagire con essi tramite le stesse funzioni
1163 usate per i normali file di dati, esisteranno sempre caratteristiche
1164 peculiari, specifiche dell'hardware e della funzionalità che ciascun
1165 dispositivo può provvedere, che non possono venire comprese in questa
1166 interfaccia astratta (un caso tipico è l'impostazione della velocità di una
1167 porta seriale, o le dimensioni di un framebuffer).
1169 Per questo motivo nell'architettura del sistema è stata prevista l'esistenza
1170 di una funzione apposita, \funcd{ioctl}, con cui poter compiere le operazioni
1171 specifiche di ogni dispositivo particolare, usando come riferimento il solito
1172 file descriptor. Il prototipo di questa funzione è:
1173 \begin{prototype}{sys/ioctl.h}{int ioctl(int fd, int request, ...)}
1174 Manipola il dispositivo sottostante, usando il parametro \param{request} per
1175 specificare l'operazione richiesta ed il terzo parametro (usualmente di tipo
1176 \param{char * argp} o \param{int argp}) per il trasferimento
1177 dell'informazione necessaria.
1179 \bodydesc{La funzione nella maggior parte dei casi ritorna 0, alcune
1180 operazioni usano però il valore di ritorno per restituire informazioni. In
1181 caso di errore viene sempre restituito -1 ed \var{errno} assumerà uno dei
1184 \item[\errcode{ENOTTY}] il file \param{fd} non è associato con un device, o
1185 la richiesta non è applicabile all'oggetto a cui fa riferimento
1187 \item[\errcode{EINVAL}] gli argomenti \param{request} o \param{argp} non sono
1190 ed inoltre \errval{EBADF} e \errval{EFAULT}.}
1193 La funzione serve in sostanza per fare tutte quelle operazioni che non si
1194 adattano al design dell'architettura dei file e che non è possibile effettuare
1195 con le funzioni esaminate finora. Esse vengono selezionate attraverso il
1196 valore di \param{request} e gli eventuali risultati possono essere restituiti
1197 sia attraverso il valore di ritorno che attraverso il terzo argomento
1198 \param{argp}. Sono esempi delle operazioni gestite con una \func{ioctl}:
1200 \item il cambiamento dei font di un terminale.
1201 \item l'esecuzione di una traccia audio di un CDROM.
1202 \item i comandi di avanti veloce e riavvolgimento di un nastro.
1203 \item il comando di espulsione di un dispositivo rimovibile.
1204 \item l'impostazione della velocità trasmissione di una linea seriale.
1205 \item l'impostazione della frequenza e della durata dei suoni emessi dallo
1209 In generale ogni dispositivo ha un suo insieme di possibili diverse operazioni
1210 effettuabili attraverso \func{ioctl}, che sono definite nell'header file
1211 \file{sys/ioctl.h}, e devono essere usate solo sui dispositivi cui fanno
1212 riferimento. Infatti anche se in genere i valori di \param{request} sono
1213 opportunamente differenziati a seconda del dispositivo\footnote{il kernel usa
1214 un apposito \textit{magic number} per distinguere ciascun dispositivo nella
1215 definizione delle macro da usare per \param{request}, in modo da essere
1216 sicuri che essi siano sempre diversi, ed il loro uso per dispositivi diversi
1217 causi al più un errore. Si veda il capitolo quinto di \cite{LinDevDri} per
1218 una trattazione dettagliata dell'argomento.} così che la richiesta di
1219 operazioni relative ad altri dispositivi usualmente provoca il ritorno della
1220 funzione con una condizione di errore, in alcuni casi, relativi a valori
1221 assegnati prima che questa differenziazione diventasse pratica corrente, si
1222 potrebbero usare valori validi anche per il dispositivo corrente, con effetti
1223 imprevedibili o indesiderati.
1225 Data la assoluta specificità della funzione, il cui comportamento varia da
1226 dispositivo a dispositivo, non è possibile fare altro che dare una descrizione
1227 sommaria delle sue caratteristiche; torneremo ad esaminare in seguito quelle
1228 relative ad alcuni casi specifici (ad esempio la gestione dei terminali è
1229 effettuata attraverso \func{ioctl} in quasi tutte le implementazioni di Unix),
1230 qui riportiamo solo i valori di alcuni comandi che sono definiti per ogni
1232 \begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
1233 \item[\const{FIOCLEX}] Imposta il bit di \textit{close on exec}.
1234 \item[\const{FIONCLEX}] Cancella il bit di \textit{close on exec}.
1235 \item[\const{FIOASYNC}] Abilita l'I/O asincrono.
1236 \item[\const{FIONBIO}] Abilita l'I/O in modalità non bloccante.
1238 relativi ad operazioni comunque eseguibili anche attraverso \func{fcntl}.
1241 %%% Local Variables:
1243 %%% TeX-master: "gapil"