Si va avanti con fcntl

[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 nella realizzazione pratica, resta sostanzialmente la stessa in
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 descriptor}}
  \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).

\begin{table}[!htb]
  \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\protect\footnotemark\ 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\protect\footnotemark\ quando 
    \func{opendir} viene chiamata su una 
    fifo o su un device di unità a nastri, non deve essere utilizzato al di 
    fuori dell'implementazione di \func{opendir}. \\
    \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\footnotemark.\\
    \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\footnotemark\ 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\_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\_FSYNC} & sinonimo di \macro{O\_SYNC}. \\
    \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}

\footnotetext[2]{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.}  

\footnotetext[3]{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.}

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

\footnotetext[5]{l'opzione origina da SVr4, dove però causava il ritorno da
  una \func{read} con un valore nullo e non con un errore, questo introduce
  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.}


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 \tabref{tab:file_open_flags} 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.

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


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

La funzione \func{close} permette di chiudere un file, in questo modo il file
descriptor ritorna disponibile; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int close(int fd)}
  Chiude il descrittore \var{fd}. 
  
  La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 n caso di errore. In questo
  caso \var{errno} è settata ai valori:
  \begin{errlist}
    \item \macro{EBADF}  \var{fd} non è un descrittore valido.
    \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EIO}.
\end{prototype}

La chiusura di un file rilascia ogni blocco (il \textit{file locking} è
trattato in \secref{sec:file_locking}) che il processo poteva avere acquisito
su di esso; se \var{fd} è ultimo (di eventuali copie) riferimento ad un file
aperto, tutte le risorse nella file table vengono rilasciate. Infine se il
file descriptor era l'ultimo riferimento ad un file su disco quest'ultimo
viene cancellato.

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

In ogni caso una \func{close} andata a buon fine non garantisce che i dati
siano stati effettivamente scritti su disco, perché il kernel può decidere di
ottimizzare l'accesso a disco ritardandone la scrittura. L'uso della funzione
\func{sync} effettua esplicitamente il \emph{flush} dei dati, ma anche in
questo caso resta l'incertezza dovuta al comportamento dell'hardware (che a
sua volta può introdurre ottimizzazioni dell'accesso al disco).


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

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

In genere (a meno di non avere richiesto la modalità \macro{O\_APPEND}) questa
posizione viene settata a zero all'apertura del file. È possibile settarla ad
un valore qualsiasi con la funzione \func{lseek}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h}
  \headdecl{unistd.h}
  \funcdecl{off\_t lseek(int fd, off\_t offset, int whence)}
  La funzione setta la posizione attuale nel file. 

  La funzione ritorna valore della posizione corrente in caso di successo e -1
  in caso di errore nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
  \begin{errlist}
    \item \macro{ESPIPE} \var{fd} è una pipe, un socket o una fifo.
    \item \macro{EINVAL} \var{whence} non è un valore valido.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EBADF}.
\end{functions}

La nuova posizione è settata usando il valore specificato da \var{offset},
sommato al riferimento dato da \var{whence}; quest'ultimo può assumere i
seguenti valori\footnote{per compatibilità con alcune vecchie notazioni
  questi valori possono essere rimpiazzati rispettivamente con 0, 1 e 2 o con
  \macro{L\_SET}, \macro{L\_INCR} e \macro{L\_XTND}}:
\begin{description}
\item \macro{SEEK\_SET} si fa riferimento all'inizio del file: il valore di
  \var{offset} è la nuova posizione.
\item \macro{SEEK\_CUR} si fa riferimento alla posizione corrente del file:
  \var{offset} che può essere negativo e positivo.
\item \macro{SEEK\_END} si fa riferimento alla fine del file: il valore di
  \var{offset} può essere negativo e positivo.
\end{description}

Come accennato in \secref{sec:file_file_size} con \func{lseek} è possibile
settare la posizione corrente anche al di la della fine del file, e alla
successiva scrittura il file sarà esteso. La chiamata non causa nessuna
attività di input/output, si limita a modificare la posizione corrente nel
kernel (cioè \var{f\_pos} in \var{file}, vedi \figref{fig:file_proc_file}).

Dato che la funzione ritorna la nuova posizione, usando il valore zero per
\func{offset} si può riottenere la posizione corrente nel file chiamando la
funzione con \func{lseek(fd, 0, SEEK\_CUR}. 

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

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


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

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

La funzione tenta di leggere \var{count} byte a partire dalla posizione
corrente nel file; dopo la lettura la posizione è spostata automaticamente in
avanti del numero di bytes letti. Se \var{count} è zero la funzione
restituisce zero senza nessun altro risultato.

Si deve sempre tener presente che non è detto che la funzione \func{read}
restituisca il numero di byte richiesto, ci sono infatti varie ragioni per cui
la funzione può restituire un numero di byte inferiore. Questo è un
comportamento normale e non un errore, che però bisogna sempre tenere
presente.

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

Con i \textsl{file regolari} questa è l'unica situazione in cui si può avere
un numero di byte letti inferiore a quello richiesto, ma la situazione è
invece normale quando si legge da un terminale, o su una pipe. In tal caso
infatti, se non ci sono dati in ingresso, la \func{read} si blocca e ritorna
solo quando ne arrivano; se il numero di byte richiesti eccede quelli
disponibili la funzione ritorna comunque, ma con un numero di byte inferiore.

Lo stesso comportamento avviene caso di lettura dalla rete (cioè su un socket,
come vedremo in \secref{sec:sock_io_behav}), o per certi dispositivi come le
unità a nastro che restituiscono un singolo blocco di dati alla volta.

In realtà anche le due condizioni segnalate dagli errori \func{EINTR} e
\func{EAGAIN} non sono errori. La prima si verifica quando la \func{read} è
bloccata in attesa di dati in ingresso e viene interrotta da un segnale; in
tal caso l'azione da prendere è quella di rieseguire la funzione. Torneremo
sull'argomento in \secref{sec:signal_xxx}. 

La seconda si verifica quando il file è in modalità non bloccante e non ci
sono dati in ingresso: la funzione allora ritorna immediatamente con un errore
\macro{EAGAIN}\footnote{sotto BSD questo per questo errore viene usata la
  costante \macro{EWOULDBLOCK}, in GNU/Linux questa è sinonima di
  \macro{EAGAIN}.} indicando che occorrerà provare a ripetere la lettura.


Lo standard Unix98\footnote{questa funzione, e l'analoga \func{pwrite} sono
  state aggiunte nel kernel 2.1.60, il supporto nelle \acr{glibc}, compresa
  l'emulazione per i vecchi kernel che non hanno la system call, è stato
  aggiutno con la versione 2.1} (vedi \secref{sec:intro_opengroup}) prevede la
definizione di un'altra funzione di lettura, \func{pread}, che diventa
accessibile con la definizione:
\begin{verbatim}
       #define _XOPEN_SOURCE 500
\end{verbatim}
il prototipo di questa funzione è:
\begin{prototype}{unistd.h}
{ssize\_t pread(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
  
La funzione cerca di leggere \var{count} bytes dal file \var{fd}, a partire
dalla posizione \var{offset}, nel buffer \var{buf}.
  
La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1 in caso
di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata secondo i valori già visti
per \func{read} e \func{lseek}.
\end{prototype}

Questa funzione serve quando si vogliono leggere dati dal file senza
modificarne la posizione corrente. È equivalente alla esecuzione di una
\func{read} e una \func{lseek}, ma dato che la posizione sul file può essere
condivisa fra vari processi (vedi \secref{sec:file_sharing}), essa permette di
eseguire l'operazione atomicamente. Il valore di \var{offset} fa riferimento
all'inizio del file.


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

Per scrivere su un file si usa la funzione \func{write}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t write(int fd, void * buf, size\_t count)}
  
  La funzione scrive \var{count} bytes dal buffer \var{buf} sul file \var{fd}.
  
  La funzione ritorna il numero di byte scritti in caso di successo e -1 in
  caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EINVAL} \var{fd} è connesso ad un oggetto che non consente la
    scrittura.
  \item \macro{EFBIG} si è cercato di scrivere oltre la dimensione massima
    consentita dal filesystem o il limite per le dimensioni dei file del
    processo o su una posizione oltre il massimo consentito.
  \item \macro{EPIPE} \var{fd} è connesso ad una pipe il cui altro capo è
    chiuso in lettura; in questo caso viene anche generato il segnale
    \macro{SIGPIPE}, se questo viene gestito (o bloccato o ignorato) la
    funzione ritorna questo errore.
  \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
    aver potuto scerivere quasiasi dato.
  \item \macro{EAGAIN} la funzione non aveva nessun dato da restituire e si
    era aperto il file in modalità \macro{O\_NONBLOCK}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EBADF}, \macro{EIO}, \macro{EISDIR}, \macro{EBADF},
  \macro{ENOSPC}, \macro{EINVAL} e \macro{EFAULT} ed eventuali altri errori
  dipendenti dalla natura dell'oggetto connesso a \var{fd}.
\end{prototype}

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

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

Anche per \func{write} lo standard Unix98 definisce una analoga per scrivere
alla posizione indicata senza modificare la posizione corrente nel file, il
suo prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}
{ssize\_t pwrite(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
  
La funzione cerca di scrivere sul file \var{fd}, a partire dalla posizione
\var{offset}, \var{count} bytes dal buffer \var{buf}.
  
La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1 in caso
di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata secondo i valori già visti
per \func{write} e \func{lseek}.
\end{prototype}



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

In questa sezione approfondireme alcune delle caratteristiche più sottili
della gestione file in un sistema unix-like, esaminando in dettaglio il
comportamento delle funzioni base, inoltre tratteremo alcune funzioni che
permettono di eseguire operazioni avanzate con i file.


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

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

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=14cm]{img/filemultacc.eps}
  \caption{Schema dell'accesso allo stesso file da parte di due processi 
    diversi}
  \label{fig:file_mult_acc}
\end{figure}

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

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

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=14cm]{img/fileshar.eps}
  \caption{Schema dell'accesso ai file da parte di un processo figlio}
  \label{fig:file_acc_child}
\end{figure}

È comunque possibile che due file descriptor di due processi diversi puntino
alla stessa voce nella \textit{file table}; questo è ad esempio il caso dei
file aperti che venfono ereditati dal processo figlio all'esecuzione di una
\func{fork} (si ricordi quanto detto in \secref{sec:proc_fork}). La situazione
è illustrata in \figref{fig:file_acc_child}; dato che il processo figlio
riceve una copia dello spazio di indirizzi del padre, riceverà anche una copia
di \var{file\_struct} e relativa tabella dei file aperti. 

In questo modo padre e figlio avranno gli stessi file descriptor che faranno
riferimento alla stessa voce nella \textit{file table}, condividendo così la
posizione corrente sul file. Questo ha le cosenguenze descritte a suo tempo in
\secref{sec:proc_fork}: in caso di scrittura contemporanea la posizione
corrente nel file varierà per entrambi i processi (in quanto verrà modificato
\var{f\_pos} che è la stesso per entrambi).

Si noti inoltre che anche i flag di stato del file (quelli settati dal
parametro \var{flag} di \func{open}) essendo tenuti nella voce della
\textit{file table} (il campo \var{f\_flag} di \var{file}), vengono in questo
caso condivisi. Ai file però sono associati anche altri flag (l'unico usato al
momento è \macro{FD\_CLOEXEC}), detti \textit{file descriptor flags}, tenuti
invece in \var{file\_struct}; questi sono specifici di ciascun processo, e non
vengono toccati anche in caso di condivisione della voce della \textit{file
  table}.



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

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

Se dal punto di vista della lettura dei dati questo non comporta nessun
problema, quando si andrà a scrivere le operazioni potranno mescolarsi in
maniera imprevedibile.  Il sistema però fornisce in alcuni casi la possibilità
di eseguire alcune operazioni di scrittura in maniera coordinata anche senza
utilizzare meccanismi di sincronizzazione più complessi (come il \textit{file
  locking}, che esamineremo in \secref{cha:file_advanced}).

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

Il problema è che usare due system call in successione non è una operazione
atomica; il problema è stato risolto introducendo la modalità
\macro{O\_APPEND}, in questo caso infatti, come abbiamo visto, è il kernel che
aggiorna automaticamente la posizione alla fine del file prima di effettuare
la scrittura, e poi estende il file. Tutto questo avviene all'interno di una
singola system call (la \func{write}) che non essendo interrompibile da un
altro processo costituisce una operazione atomica.

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

Per questo motivo sono stati introdotti i due flag \macro{O\_CREAT} e
\macro{O\_EXCL}, in questo modo l'operazione di controllo dell'esistenza del
file (con relativa uscita dalla funzione con un errore) e creazione in caso di
assenza, diventa atomica essendo svolta tutta all'interno di una singola
\func{open}.



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

Abbiamo già visto in \secref{sec:file_sharing} come un processo figlio
condivida gli stessi file descriptor del padre; è possibile però ottenere un
comportamento analogo all'interno di uno stesso processo \textit{duplicando}
un file descriptor. Per far questo si usa la funzione \func{dup} il cui
prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int dup(int oldfd)}
  
  La funzione crea una copia del file descriptor \param{oldfd}.
  
  La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e -1 in
  caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EBADF} \param{oldfd} non è un file aperto.
  \item \macro{EMFILE} si è raggiunto il numero massimo consentito di file
    descriptor aperti.
  \end{errlist}
\end{prototype}

La funzione ritorna, come \func{open}, il primo file descriptor libero. Il
file descriptor è una copia esatta del precedente ed entrambi possono essere
interscambiati nell'uso. Per capire meglio il funzionamento della funzione si
può fare riferimento a \figref{fig:file_dup}: l'effetto della funzione è
semplicamente quello di copiare il valore nella struttura \var{file\_struct},
cosicché anche il nuovo file descriptor fa riferirimento alla stessa voce
nella \textit{file table}.

\begin{figure}[htb]
  \centering \includegraphics[width=14cm]{img/filedup.eps}
  \caption{Schema dell'accesso ai file duplicati}
  \label{fig:file_dup}
\end{figure}

In questo modo entrambi i file condivideranno eventuali lock, \textit{file
  status flag}, e posizione corrente: se ad esempio \func{lseek} modifica la
posizione su uno dei due file descriptor essa sarà modificata anche sull'altro
(al solito viene modificato lo stesso campo nella voce della \textit{file
  table} a cui entrambi fanno riferimento).

L'unica differenza fra i due file descriptor è che ciascuno avrà il suo
\textit{file descriptor flag}; nel caso di \func{dup} il flag di \textit{close
  on exec} viene sempre cancellato nella copia.  

Una diversa versione della funzione, \func{dup2} viene utilizzata per
specificare esplicitamente il nuovo file descriptor; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{unistd.h}{int dup2(int oldfd, int newfd)}
  
  La funzione rende \param{newfd} una copia del file descriptor \param{oldfd}.
  
  La funzione ritorna il nuovo file descriptor in caso di successo e -1 in
  caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EBADF} \param{oldfd} non è un file aperto o \param{newfd} ha un
    valore fuori dall'intervallo consentito per i file descriptor.
  \item \macro{EMFILE} si è raggiunto il numero massimo consentito di file
    descriptor aperti.
  \end{errlist}
\end{prototype}
\noindent la funzione chiude il file descriptor \param{newfd} se è aperto.

La duplicazione dei file descriptor può essere effettuata anche usando la
funzione di controllo dei file \func{fnctl} (che esamineremo in
\secref{sec:file_fcntl}) con il parametro \macro{F\_DUPFD}. 

L'operazione ha la sintassi \func{fnctl(oldfd, F\_DUPFD, newfd)} e se si usa 0
come valore per \param{newfd} diventa equivalente a \func{dup}. La sola
differenza, a parte i codici di errore, è che \func{dup2} chiude il nuovo file
se è già aperto mentre \func{fcntl} apre il primo disponibile con un valore
superiore, per cui per poterla usare come \func{dup2} occorrerebbe prima
effettare una \func{close}, perdendo l'atomicità dell'operazione.

L'uso principale di queste funzioni è per la redirezione dell'input e
dell'output fra l'esecuzione di una \func{fork} e la successiva \func{exec};
diventa così possibile associare un file (o una pipe) allo standard input o
allo standard output, torneremo su questo uso più avanti quando tratteremo le
pipe.


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

Oltre alle operazioni base esaminate in \secref{sec:file_base_func} esistono
tutta una serie di operazioni ausiliarie che è possibile eseguire su un file
descriptor. Per queste operazioni di manipolazione delle varie proprietà di un
file descriptor viene usata la funzione \func{fcntl} il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{unistd.h}
  \headdecl{fcntl.h}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd)}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, long arg)}
  \funcdecl{int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock)}
  La funzione esegue una delle possibili operazioni specificate da \param{cmd}
  sul file \param{fd}.
  
  La funzione ha valori di ritorno diversi a seconda dell'operazione. In caso
  di errore il valore di ritorno è -1 e la variabile \var{errno} viene settata
  ad un opportuno codice, quelli validi in generale sono:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EBADF} \param{oldfd} non è un file aperto.
  \end{errlist}
\end{functions}

Il comportamento di questa funzione è determinato dal valore del comando
\param{cmd} che le viene fornito; in \secref{sec:file_dup} abbiamo incontrato
un esempio, una lista dei possibili valori è riportata di seguito:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\macro{F\_DUPFD}] trova il primo file descriptor disponibile di valore
  maggiore o uguale ad \param{arg} e ne fa una copia di \var{fd}. In caso di
  successo ritorna il nuovo file descriptor. Gli errori possibili sono
  \macro{EINVAL} se \param{arg} è negativo o maggiore del massimo consentito o
  \macro{EMFILE} se il processo ha già raggiunto il massimo numero di
  descrittori consentito.
\item[\macro{F\_SETFD}] setta il valore del \textit{file descriptor flag}
  al valore specificato con\param{arg}. Al momento l'unico bit usato è
  quello di \textit{close on exec}, identificato dalla costante
  \macro{FD\_CLOEXEC}.
\item[\macro{F\_GETFD}] ritorna il valore del \textit{file descriptor flag} di
  \var{fd}, se \macro{FD\_CLOEXEC} è settato i file descriptor aperti vengono
  chiusi attraverso una \func{exec} altrimenti (il default) restano aperti.
\item[\macro{F\_GETFL}] ritorna il valore del \textit{file status flag},
  permette cioè di rileggere quei bit settati da \func{open} all'apertura del
  file che vengono memorizzati (quelli riportati nella prima e terza sezione
  di \tabref{tab:file_open_flags}).
\item[\macro{F\_SETFL}] setta il \textit{file status flag} al valore
  specificato da \param{arg}, possono essere settati solo i bit riportati
  nella terza sezione di \tabref{tab:file_open_flags} (da verificare).
\end{basedescript}

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