1 \chapter{L'interfaccia unix di I/O con i file}
2 \label{cha:file_unix_interface}
4 Esamineremo in questo capitolo la prima delle due interfacce di programmazione
5 per i file, quella dei \textit{file descriptor}, nativa di unix. Questa è
6 l'interfaccia di basso livello, che non prevede funzioni evolute come la
7 bufferizzazione o funzioni di lettura o scrittura formattata, ma è su questa
8 che è costruita anche l'interfaccia standard dei file definita dallo standard
13 \section{L'architettura di base}
14 \label{sec:file_base_arch}
16 In questa sezione faremo una breve introduzione sulla architettura su cui è
17 basata dell'interfaccia dei \textit{file descriptor}, che, sia pure con
18 differenze di implementazione, è comune ad ogni implementazione di unix.
19 Vedremo cosa comporti questa architettura in caso di accesso contemporaneo ai
20 file da parte di più processi.
23 \subsection{L'architettura dei \textit{file descriptors}}
26 Per poter accedere al contenuto di un file occorre creare un canale di
27 comunicazione con il kernel che renda possibile operare su di esso (si ricordi
28 quanto visto in \secref{sec:file_vfs_work}). Questo si fa aprendo il file con
29 la funzione \func{open} che provvederà a localizzare l'inode del file e
30 inizializzare le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
31 \tabref{tab:file_file_operations}). Una volta terminate le operazioni, il file
32 dovrà essere chiuso, e questo chiuderà il canale di comunicazione impedendo
33 ogni ulteriore operazione.
35 All'interno di ogni processo i file aperti sono identificati da un intero non
36 negativo, chiamato appunto \textit{file descriptors}, quando un file viene
37 aperto la funzione restituisce il file descriptor, e tutte le successive
38 operazioni devono passare il \textit{file descriptors} come argomento.
40 Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come è
41 che il kernel gestisce l'interazione fra processi e file. Il kernel mantiene
42 sempre un elenco dei processi attivi nella cosiddetta \textit{process table}
43 ed un elenco dei file aperti nella \textit{file table}.
45 La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
46 processo attivo nel sistema. In Linux la tabella è costituita da strutture di
47 tipo \var{task\_struct} nelle quali sono raccolte tutte le informazioni
48 relative ad un singolo processo; fra queste informazioni c'è anche il
49 puntatore ad una ulteriore struttura di tipo \var{files\_struct} in cui sono
50 contenute le informazioni relative ai file che il processo ha aperto, ed in
53 \item i flag relativi ai file descriptor.
54 \item il numero di file aperti.
55 \item una tabella che contiene un puntatore alla relativa voce nella
56 \textit{file table} per ogni file aperto.
58 il \textit{file descriptor} in sostanza è l'intero positivo che indicizza
61 La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
62 che è stato aperto nel sistema. In Linux è costituita da strutture di tipo
63 \var{file}; in ciascuna di esse sono tenute varie informazioni relative al
66 \item lo stato del file (nel campo \var{f\_flags}).
67 \item il valore della posizione corrente (l'\textit{offset}) nel file.
68 \item un puntatore all'inode\footnote{nel kernel 2.4.x si è in realtà passati
69 ad un puntatore ad una struttura \var{dentry} che punta a sua volta
70 all'inode passando per la nuova struttura del VFS} del file.
71 %\item un puntatore alla tabella delle funzioni \footnote{la struttura
72 % \var{f\_op} descritta in \secref{sec:file_vfs_work}} che si possono usare
76 In \figref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema in cui è illustrata
77 questa architettura, in cui si sono evidenziate le interrelazioni fra le varie
78 strutture di dati sulla quale essa è basata.
81 \includegraphics[width=14cm]{img/procfile.eps}
82 \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
83 l'interfaccia dei \textit{file descroptor}}
84 \label{fig:file_proc_file}
86 Ritorneremo su questo schema più volte, dato che esso è fondamentale per
87 capire i dettagli del funzionamento delle dell'interfaccia dei \textit{file
91 \subsection{I file standard}
92 \label{sec:file_std_descr}
94 Come accennato i \textit{file descriptor} non sono altro che un indice nella
95 tabella dei file aperti di ciascun processo; per questo motivo essi vengono
96 assegnati in successione tutte le volte che si apre un nuovo file (se non se
97 ne è chiuso nessuno in precedenza).
99 In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
100 processo viene lanciato con almeno tre file aperti. Questi, per quanto
101 dicevamo prima, avranno come \textit{file descriptor} i valori 0, 1 e 2.
102 Benché questa sia soltanto una convenzione, essa è seguita dalla gran parte
103 delle applicazioni, e non aderirvi potrebbe portare a gravi problemi di
106 Il primo file è sempre associato a quello che viene chiamato \textit{standard
107 input}, è cioè il file da cui il processo si aspetta di ricevere i dati in
108 ingresso (nel caso della shell, è associato alla lettura della tastiera); il
109 secondo file è il cosiddetto \textit{standard output}, cioè il file su cui ci
110 si aspetta debbano essere inviati i dati in uscita (sempre nel caso della
111 shell, è il terminale su cui si sta scrivendo), il terzo è lo \textit{standard
112 error}, su cui viene inviato l'output relativo agli errori.
113 Lo standard POSIX.1 provvede tre costanti simboliche, definite nell'header
114 \file{unistd.h}, al posto di questi valori numerici:
118 \begin{tabular}[c]{|l|l|}
120 \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
123 \macro{STDIN\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
125 \macro{STDOUT\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
127 \macro{STDERR\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
131 \caption{Costanti definite in \file{unistd.h} per i file standard aperti
132 alla creazione di ogni processo.}
133 \label{tab:file_std_files}
136 In \curfig\ si è utilizzata questa situazione come esempio, facendo
137 riferimento ad un programma in cui lo \textit{standard input} è associato ad
138 un file mentre lo \textit{standard output} e lo \textit{standard error} sono
139 entrambi associati ad un altro file (e quindi utilizzano lo stesso inode).
141 Nelle vecchie versioni di unix (ed anche in Linux fino al kernel 2.0.x) il
142 numero di file aperti era anche soggetto ad un limite massimo dato dalle
143 dimensioni del vettore di puntatori con cui era realizzata la tabella dei file
144 descriptor dentro \var{file\_struct}; questo limite intrinseco non sussiste
145 più, dato che si è passati ad una linked list, restano i limiti imposti
146 dall'amministratore (vedi \secref{sec:sys_limits}).
150 \section{Le funzioni base}
151 \label{sec:file_base_func}
153 L'interfaccia standard unix per l'input/output sui file è basata su cinque
154 funzioni fondamentali \func{open}, \func{read}, \func{write}, \func{lseek} e
155 \func{close}, usate rispettivamente per aprire, leggere, scrivere, spostarsi e
158 La gran parte delle operazioni sui file si effettua attraverso queste cinque
159 funzioni, esse vengono chiamate anche funzioni di I/O non bufferizzato dato
160 che effettuano le operazioni di lettura e scrittura usando direttamente le
161 system call del kernel.
164 \subsection{La funzione \func{open}}
165 \label{sec:file_open}
167 La funzione \func{open} è la funzione fondamentale per accedere ai file, ed è
168 quella che crea l'associazione fra un pathname ed un file descriptor; il suo
172 \headdecl{sys/types.h}
173 \headdecl{sys/stat.h}
175 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
176 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
177 Apre il file indicato da \var{pathname} nella modalità indicata da
178 \var{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
179 specificati da \var{mode}.
181 La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in caso di
182 errore. In questo caso la variabile \var{errno} viene settata ad uno dei
186 \item \macro{EEXIST} \var{pathname} esiste e si è specificato
187 \macro{O\_CREAT} e \macro{O\_EXCL}.
188 \item \macro{EISDIR} \var{pathname} indica una directory e si è tentato
189 l'accesso in scrittura.
190 \item \macro{ENOTDIR} si è specificato \macro{O\_DIRECTORY} e \var{pathname}
192 \item \macro{ENXIO} si sono settati \macro{O\_NOBLOCK} o \macro{O\_WRONLY}
193 ed il file è una fifo che non viene letta da nessun processo o
194 \var{pathname} è un file di dispositivo ma il dispositivo è assente.
195 \item \macro{ENODEV} \var{pathname} si riferisce a un file di dispositivo
197 \item \macro{ETXTBSY} si è cercato di accedere in scrittura all'immagine di
198 un programma in esecuzione.
199 \item \macro{ELOOP} si sono incotrati troppi link simbolici nel risolvere
200 pathname o si è indicato \macro{O\_NOFOLLOW} e \var{pathname} è un link
203 ed inoltre \macro{EACCES}, \macro{ENAMETOOLONG}, \macro{ENOENT},
204 \macro{EROFS}, \macro{EFAULT}, \macro{ENOSPC}, \macro{ENOMEM},
205 \macro{EMFILE} e \macro{ENFILE}.
208 La funzione apre il file, usando il primo file descriptor libero, e crea
209 l'opportuna voce (cioè la struttura \var{file}) nella file table. Viene usato
210 sempre il file descriptor con il valore più basso, questa caratteritica
211 permette di prevedere qual'è il valore che si otterrà e viene talvolta usata
212 da alcune applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard
213 di \secref{sec:file_std_descr}: se ad esempio si chiude lo standard input e si
214 apre subito dopo un nuovo file questo diventerà il nuovo standard input (avrà
215 cioè il file descriptor 0).
217 Il nuovo file descriptor non è condiviso con nessun altro processo, (torneremo
218 sulla condivisione dei file, in genere accessibile dopo una \func{fork}, in
219 \secref{sec:file_sharing}). Il nuovo file descriptor è settato di default per
220 restare aperto attraverso una \func{exec} (come accennato in
221 \secref{sec:proc_exec}) ed l'offset è settato all'inizio del file.
223 La funzione prevede diverse modalità di apertura di un file, che vengono
224 specificate dal parametro \var{flags}, questo parametro viene settato come
225 maschera binaria attraverso OR aritmetico delle costanti che identificano i
226 vari flag. Questi ultimi sono poi divisibili in tre categorie principali:
228 \item \textsl{le modalità di accesso}, che specificano con quale modalità si
229 accede al file: lettura, scrittura o lettura/scrittura. Uno di questi
230 valori deve essere sempre specificato, vengono settati alla chiamata da
231 \func{open}, e possono essere riletti con una \func{fcntl}, ma non
233 \item \textsl{le modalità di apertura}, che permettono di specificare alcuni
234 dei modi di funzionamento di \func{open}. Hanno effetto solo al momento
235 della chiamata e non sono memorizzati nè possono essere riletti.
236 \item \textsl{le modalità di operazione}, che permettono di specificare alcuni
237 effetti del comportamento delle operazioni sul file (come la \func{read} o
238 la \func{write}). Sono settati alla chiamata da \func{open}, ma possono
239 essere riletti e modificati con una una \func{fcntl}.
242 In \ntab\ si sono riportate, come definite in \file{fcntl.h}, le costanti che
243 identificano i vari flag di stato (ed i relativi valori numerici), da usare
244 per specificare il valore di \var{flags}, alcuni di questi poi andranno a
245 costituire lo stato del file (il cosiddetto \textit{file status flag}), tenuto
246 nel campo \var{f\_flags} di \var{file}.
250 \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|}
252 \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
254 \hline % modailtà di accesso
255 \macro{O_RDONLY} & apre il file in sola lettura\\
256 \macro{O_WRONLY} & apre il file in sola scrittura\\
257 \macro{O_RDWR} & apre il file lettura/scrittura\\
258 \hline % modalita di apertura
261 \macro{O_NOCTTY} & \\
262 \macro{O_NONBLOCK} & \\
263 \macro{O_SHLOCK} & \\
264 \macro{O_EXLOCK} & \\
266 \macro{O_NOFOLLOW} & \\
267 \macro{O_DIRECTORY} & \\
268 \macro{O_LARGEFILE} & \\
269 \hline % modalità di operazione
270 \macro{O_APPEND} & \\
271 \macro{O_NONBLOCK} & \\
272 \macro{O_NDELAY} & sinonimo di \macro{O_NONBLOCK}\\
276 \macro{O_NOATIME} & \\
279 \caption{Costanti che identificano i vari flag di stato del file specificati
280 alla sua aprertura tramite il parametro \var{flags} di \func{open}.}
281 \label{tab:file_open_flags}
285 \subsection{La funzione \func{creat}}
286 \label{sec:file_creat}
288 \subsection{La funzione \func{close}}
289 \label{sec:file_close}
291 \subsection{La funzione \func{lseek}}
292 \label{sec:file_lseek}
294 \subsection{La funzione \func{read}}
295 \label{sec:file_read}
297 \subsection{La funzione \func{write}}
298 \label{sec:file_write}
301 \section{Funzioni avanzate}
302 \label{sec:file_adv_func}
304 \subsection{La condivisione dei files}
305 \label{sec:file_sharing}
308 Si noti che i flag di stato del file, quelli settati dal parametro \var{flag}
309 di \func{open}, essendo tenuti nella vode sulla file table, vengono condivisi,
310 ai file sono però associati anche altri flag, (tenuti invece nella struttura
311 \var{file\_struct} interna alla process table) che sono unici per ciascun file
312 descriptor, e sono pertanto detti \textit{file descriptor flags} (l'unico
313 usato al momento è \macro{FD\_CLOEXEC}).
316 \subsection{Operazioni atomiche coi file}
317 \label{sec:file_atomic}
320 \subsection{La funzioni \func{dup} e \func{dup2}}
323 \subsection{La funzione \func{fcntl}}
324 \label{sec:file_fcntl}
326 \subsection{La funzione \func{ioctl}}
327 \label{sec:file_ioctl}