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 nella realizzazione pratica, resta sostanzialmente la stessa in
19 ogni implementazione di unix.
22 \subsection{L'architettura dei \textit{file descriptor}}
25 Per poter accedere al contenuto di un file occorre creare un canale di
26 comunicazione con il kernel che renda possibile operare su di esso (si ricordi
27 quanto visto in \secref{sec:file_vfs_work}). Questo si fa aprendo il file con
28 la funzione \func{open} che provvederà a localizzare l'inode del file e
29 inizializzare le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
30 \tabref{tab:file_file_operations}). Una volta terminate le operazioni, il file
31 dovrà essere chiuso, e questo chiuderà il canale di comunicazione impedendo
32 ogni ulteriore operazione.
34 All'interno di ogni processo i file aperti sono identificati da un intero non
35 negativo, chiamato appunto \textit{file descriptor}, quando un file viene
36 aperto la funzione restituisce il file descriptor, e tutte le successive
37 operazioni devono passare il \textit{file descriptors} come argomento.
39 Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come è
40 che il kernel gestisce l'interazione fra processi e file. Il kernel mantiene
41 sempre un elenco dei processi attivi nella cosiddetta \textit{process table}
42 ed un elenco dei file aperti nella \textit{file table}.
44 La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
45 processo attivo nel sistema. In Linux ciascuna voce è costituita da una
46 struttura di tipo \var{task\_struct} nella quale sono raccolte tutte le
47 informazioni relative al processo; fra queste informazioni c'è anche il
48 puntatore ad una ulteriore struttura di tipo \var{files\_struct}, in cui sono
49 contenute le informazioni relative ai file che il processo ha aperto, ed in
52 \item i flag relativi ai file descriptor.
53 \item il numero di file aperti.
54 \item una tabella che contiene un puntatore alla relativa voce nella
55 \textit{file table} per ogni file aperto.
57 il \textit{file descriptor} in sostanza è l'intero positivo che indicizza
60 La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
61 che è stato aperto nel sistema. In Linux è costituita da strutture di tipo
62 \var{file}; in ciascuna di esse sono tenute varie informazioni relative al
65 \item lo stato del file (nel campo \var{f\_flags}).
66 \item il valore della posizione corrente (l'\textit{offset}) nel file (nel
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 descriptor}}
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 da un vettore ad una linked list, ma restano i
146 limiti imposti 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
171 \headdecl{sys/types.h}
172 \headdecl{sys/stat.h}
174 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
175 \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
176 Apre il file indicato da \var{pathname} nella modalità indicata da
177 \var{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
178 specificati da \var{mode}.
180 La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in caso di
181 errore. In questo caso la variabile \var{errno} viene settata ad uno dei
184 \item \macro{EEXIST} \var{pathname} esiste e si è specificato
185 \macro{O\_CREAT} e \macro{O\_EXCL}.
186 \item \macro{EISDIR} \var{pathname} indica una directory e si è tentato
187 l'accesso in scrittura.
188 \item \macro{ENOTDIR} si è specificato \macro{O\_DIRECTORY} e \var{pathname}
190 \item \macro{ENXIO} si sono settati \macro{O\_NOBLOCK} o \macro{O\_WRONLY}
191 ed il file è una fifo che non viene letta da nessun processo o
192 \var{pathname} è un file di dispositivo ma il dispositivo è assente.
193 \item \macro{ENODEV} \var{pathname} si riferisce a un file di dispositivo
195 \item \macro{ETXTBSY} si è cercato di accedere in scrittura all'immagine di
196 un programma in esecuzione.
197 \item \macro{ELOOP} si sono incotrati troppi link simbolici nel risolvere
198 pathname o si è indicato \macro{O\_NOFOLLOW} e \var{pathname} è un link
201 ed inoltre \macro{EACCES}, \macro{ENAMETOOLONG}, \macro{ENOENT},
202 \macro{EROFS}, \macro{EFAULT}, \macro{ENOSPC}, \macro{ENOMEM},
203 \macro{EMFILE} e \macro{ENFILE}.
206 La funzione apre il file, usando il primo file descriptor libero, e crea
207 l'opportuna voce (cioè la struttura \var{file}) nella file table. Viene usato
208 sempre il file descriptor con il valore più basso, questa caratteristica
209 permette di prevedere qual'è il valore che si otterrà e viene talvolta usata
210 da alcune applicazioni per sostituire i file corrispondenti ai file standard
211 di \secref{sec:file_std_descr}: se ad esempio si chiude lo standard input e si
212 apre subito dopo un nuovo file questo diventerà il nuovo standard input (avrà
213 cioè il file descriptor 0).
219 \begin{tabular}[c]{|l|p{12cm}|}
221 \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
223 \hline % modailtà di accesso al file
224 \macro{O\_RDONLY} & apre il file in sola lettura. \\
225 \macro{O\_WRONLY} & apre il file in sola scrittura. \\
226 \macro{O\_RDWR} & apre il file lettura/scrittura. \\
227 \hline % modalita di apertura del file
229 \macro{O\_CREAT} & se il file non esiste verrà creato, con le regole di
230 titolarità del file viste in \secref{sec:file_ownership}. Il parametro
231 \var{mode} deve essere specificato. \\
232 \macro{O\_EXCL} & usato in congiunzione con \macro{O\_CREAT} fa sì che
233 l'esistenza del file diventi un errore\footnote{la man page di \func{open}
234 segnala che questa opzione è difettosa su NFS, e che i programmi che la
235 usano per stabilire un file di lock possono incorrere in una race
236 condition. Si consiglia come alternativa di usare un file con un nome
237 univoco e la funzione \func{link} per verificarne l'esistenza.} che fa
238 fallire \func{open} con \macro{EEXIST}. \\
239 \macro{O\_NONBLOCK} & apre il file in modalità non bloccante. Questo
240 valore specifica anche una modalità di operazione (vedi sotto), e
241 comporta che \func{open} ritorni immediatamente (torneremo su
242 questo in \secref{sec:file_noblocking}). \\
243 \macro{O\_NOCTTY} & se \var{pathname} si riferisce ad un device di
244 terminale, questo non diventerà il terminale di controllo, anche se il
245 processo non ne ha ancora uno (si veda \secref{sec:sess_xxx}). \\
246 \macro{O\_SHLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno shared lock (vedi
247 \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
248 \macro{O\_EXLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno lock esclusivo (vedi
249 \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
250 \macro{O\_TRUNC} & se il file esiste ed è un file di dati e la modalità di
251 apertura consente la scrittura, allora la sua lunghezza verrà troncata a
252 zero. Se il file è un terminale o una fifo il flag verrà ignorato, negli
253 altri casi il comportamento non è specificato. \\
254 \macro{O\_NOFOLLOW} & se \var{pathname} è un link simbolico la chiamata
255 fallisce. Questa è una estensione BSD aggiunta in Linux dal kernel 2.1.126.
256 Nelle versioni precedenti i link simbolici sono sempre seguiti, e questa
257 opzione è ignorata. \\
258 \macro{O\_DIRECTORY} & se \var{pathname} non è una directory la chiamata
259 fallisce. Questo flag è specifico di Linux ed è stato introdotto con il
260 kernel 2.1.126 per evitare dei DoS\footnote{Denial of Service, si chiamano
261 così attacchi miranti ad impedire un servizio causando una qualche forma
262 di carico eccessivo per il sistema, che resta bloccato nelle risposte
263 all'attacco} quando \func{opendir} viene chiamata su una fifo o su un
264 device di unità a nastri, non deve essere utilizzato al di fuori
265 dell'implementazione di \func{opendir}. \\
266 \macro{O\_LARGEFILE} & nel caso di sistemi a 32 bit che supportano file di
267 grandi dimensioni consente di aprire file le cui dimensioni non possono
268 essere rappresentate da numeri a 31 bit. \\
270 \hline % modalità di operazione col file
271 \macro{O\_APPEND} & il file viene aperto in append mode. Prima di ciascuna
272 scrittura la posizione corrente viene sempre settata alla fine del
273 file. Può causare corruzione del file con NFS se più di un processo scrive
274 allo stesso tempo\footnote{il problema è che NFS non supporta la scrittura
275 in append, ed il kernel deve simularla, ma questo comporta la possibilità
276 di una race condition}.\\
277 \macro{O\_NONBLOCK} & il file viene aperto in modalità non bloccante per
278 le operazioni di I/O: questo significa il fallimento di una \func{read} in
279 assenza di dati da leggere e quello di una \func{write} in caso di
280 impossibilità di scrivere immediatamente. L'opzione è effettiva solo per
281 le fifo e per alcuni file di dispositivo. \\
282 \macro{O\_NDELAY} & in Linux\footnote{l'opzione origina da SVr4, dove però
283 causava il ritorno da una \func{read} con un valore nullo e non con un
284 errore, questo introduce una ambiguità, dato che come vedremo in
285 \secref{sec:file_read} il ritorno di zero da parte di \func{read} ha il
286 significato di una end-of-file} è sinonimo di \macro{O\_NONBLOCK}.\\
287 \macro{O\_ASYNC} & apre il file per l'input/output in modalità
288 asincrona. Non è supportato in Linux. \\
289 \macro{O\_SYNC} & apre il file per l'input/output sincrono, ogni
290 \func{write} bloccherà fino al completamento della scrittura di tutti dati
291 sul sull'hardware sottostante.\\
292 \macro{O\_FSYNC} & sinonimo di \macro{O\_SYNC}. \\
293 \macro{O\_NOATIME} & blocca l'aggiornamento dei tempi dei di accesso dei
294 file (vedi \secref{sec:file_file_times}). In Linux questa opzione non è
295 disponibile per il singolo file ma come opzione per il filesystem in fase
299 \caption{Costanti definite in \file{fcntl.h} per indicare i vari bit
300 usabili per il specificare parametro \var{flags} di \func{open}.}
301 \label{tab:file_open_flags}
304 Il nuovo file descriptor non è condiviso con nessun altro processo, (torneremo
305 sulla condivisione dei file, in genere accessibile dopo una \func{fork}, in
306 \secref{sec:file_sharing}). Il nuovo file descriptor è settato di default per
307 restare aperto attraverso una \func{exec} (come accennato in
308 \secref{sec:proc_exec}) ed l'offset è settato all'inizio del file.
310 Il parametro \var{mode} specifica i permessi con cui il file viene
311 eventualmente creato; i valori possibili sono gli stessi già visti in
312 \secref{sec:file_perm_overview} e possono essere specificati come OR binario
313 delle costanti descritte in \tabref{tab:file_bit_perm}. Questi permessi
314 filtrati dal valore di \file{umask} (vedi \secref{sec:file_umask}) per il
317 La funzione prevede diverse opzioni, che vengono specificate usando vari bit
318 del parametro \var{flags}. Alcuni di questi bit vanno anche a costituire il
319 flag di stato del file (o \textit{file status flag}), che è mantenuto nel
320 campo \var{f\_flags} della struttura \var{file} (al solito si veda lo schema
321 di \curfig). Essi sono divisi in tre categorie principali:
323 \item \textsl{i bit delle modalità di accesso}: specificano con quale modalità
324 si accederà al file: i valori possibili sono lettura, scrittura o
325 lettura/scrittura. Uno di questi bit deve essere sempre specificato quando
326 si apre un file. Vengono settati alla chiamata da \func{open}, e possono
327 essere riletti con una \func{fcntl} (fanno parte del \textit{file status
328 flag}), ma non modificati.
329 \item \textsl{i bit delle modalità di apertura}: permettono di specificare
330 alcune delle caratteristiche del comportamento di \func{open} quando viene
331 eseguita. Hanno effetto solo al momento della chiamata della funzione e non
332 sono memorizzati nè possono essere riletti.
333 \item \textsl{i bit delle modalità di operazione}: permettono di specificare
334 alcune caratteristiche del comportamento delle future operazioni sul file
335 (come la \func{read} o la \func{write}). Anch'essi fanno parte del
336 \textit{file status flag}. Il loro valore è settato alla chiamata di
337 \func{open}, ma possono essere riletti e modificati (insieme alle
338 caratteristiche operative che controllano) con una \func{fcntl}.
341 In \tabref{tab:file_open_flags} si sono riportate, ordinate e divise fra loro
342 secondo le tre modalità appena elencate, le costanti mnemoniche associate a
343 ciascuno di questi bit, dette costanti possono essere combinate fra di loro
344 con un OR aritmetico per costruire il valore (in forma di maschera binaria)
345 del parametro \var{flags} da passare alla \func{open} per specificarne il
348 Nelle prime versioni di unix i flag specificabili per \func{open} erano solo
349 quelli relativi alle modalità di accesso del file. Per questo motivo per
350 creare un nuovo file c'era una system call apposita, \func{creat}, il cui
352 \begin{prototype}{fcntl.h}
353 {int creat(const char *pathname, mode\_t mode)}
354 Crea un nuovo file vuoto, con i permessi specificati da \var{mode}. É del
355 tutto equivalente a \func{open(filedes, O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)}.
358 adesso questa funzione resta solo per compatibilità con i vecchi programmi.
361 \subsection{La funzione \func{close}}
362 \label{sec:file_close}
364 La funzione \func{close} permette di chiudere un file, in questo modo il file
365 descriptor ritorna disponibile; il suo prototipo è:
366 \begin{prototype}{unistd.h}{int close(int fd)}
367 Chiude il descrittore \var{fd}.
369 La funzione ritorna 0 in caso di successo e -1 n caso di errore. In questo
370 caso \var{errno} è settata ai valori:
372 \item \macro{EBADF} \var{fd} non è un descrittore valido.
373 \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale.
378 La chiusura di un file rilascia ogni blocco (il \textit{file locking} è
379 trattato in \secref{sec:file_locking}) che il processo poteva avere acquisito
380 su di esso; se \var{fd} è ultimo (di eventuali copie) riferimento ad un file
381 aperto, tutte le risorse nella file table vengono rilasciate. Infine se il
382 file descriptor era l'ultimo riferimento ad un file su disco quest'ultimo
385 Si ricordi che quando un processo termina anche tutti i sui file descriptor
386 vengono chiusi, molti programmi sfruttano questa caratteristica e non usano
387 esplicitamente \func{close}. In genere comunque chiudere un file senza
388 controllarne lo stato di uscita è errore; infatti molti filesystem
389 implementano la tecnica del \textit{write-behind}, per cui una \func{write}
390 può avere successo anche se i dati non sono stati scritti, un eventuale errore
391 di I/O allora può sfuggire, ma verrà riportato alla chiusura del file: per
392 questo motivo non effettuare il controllo può portare ad una perdita di dati
393 inavvertita; in Linux questo comportamento è stato osservato con NFS e le
396 In ogni caso una \func{close} andata a buon fine non garantisce che i dati
397 siano stati effettivamente scritti su disco, perché il kernel può decidere di
398 ottimizzare l'accesso a disco ritardandone la scrittura. L'uso della funzione
399 \func{sync} effettua esplicitamente il \emph{flush} dei dati, ma anche in
400 questo caso resta l'incertezza dovuta al comportamento dell'hardware (che a
401 sua volta può introdurre ottimizzazioni dell'accesso al disco).
404 \subsection{La funzione \func{lseek}}
405 \label{sec:file_lseek}
407 Come già accennato in \secref{sec:file_fd} a ciascun file aperto è associata
408 una \textsl{posizione corrente nel file} (il cosiddetto \textit{file offset},
409 mantenuto nel campo \var{f\_pos} di \var{file}) espressa da un numero intero
410 positivo come numero di bytes dall'inizio del file. Tutte le operazioni di
411 lettura e scrittura avvengono a partire da questa posizione che viene
412 automaticamente spostata in avanti del numero di byte letti o scritti.
414 In genere (a meno di non avere richiesto la modalità \macro{O\_APPEND}) questa
415 posizione viene settata a zero all'apertura del file. È possibile settarla ad
416 un valore qualsiasi con la funzione \func{lseek}, il cui prototipo è:
418 \headdecl{sys/types.h}
420 \funcdecl{off\_t lseek(int fd, off\_t offset, int whence)}
421 La funzione setta la posizione attuale nel file.
423 La funzione ritorna valore della posizione corrente in caso di successo e -1
424 in caso di errore nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
426 \item \macro{ESPIPE} \var{fd} è una pipe, un socket o una fifo.
427 \item \macro{EINVAL} \var{whence} non è un valore valido.
432 La nuova posizione è settata usando il valore specificato da \var{offset},
433 sommato al riferimento dato da \var{whence}; quest'ultimo può assumere i
434 seguenti valori\footnote{per compatibilità con alcune vecchie notazioni
435 questi valori possono essere rimpiazzati rispettivamente con 0, 1 e 2 o con
436 \macro{L\_SET}, \macro{L\_INCR} e \macro{L\_XTND}}:
438 \item \macro{SEEK\_SET} si fa riferimento all'inizio del file: il valore di
439 \var{offset} è la nuova posizione.
440 \item \macro{SEEK\_CUR} si fa riferimento alla posizione corrente del file:
441 \var{offset} che può essere negativo e positivo.
442 \item \macro{SEEK\_END} si fa riferimento alla fine del file: il valore di
443 \var{offset} può essere negativo e positivo.
446 Come accennato in \secref{sec:file_file_size} con \func{lseek} è possibile
447 settare la posizione corrente anche al di la della fine del file, e alla
448 successiva scrittura il file sarà esteso. La chiamata non causa nessuna
449 attività di input/output, si limita a modificare la posizione corrente nel
450 kernel (cioè \var{f\_pos} in \var{file}, vedi \figref{fig:file_proc_file}).
452 Dato che la funzione ritorna la nuova posizione, usando il valore zero per
453 \func{offset} si può riottenere la posizione corrente nel file chiamando la
454 funzione con \func{lseek(fd, 0, SEEK\_CUR}.
456 Si tenga presente inoltre che usare \macro{SEEK\_END} non assicura affatto che
457 successiva scrittura avvenga alla fine del file, infatti se questo è stato
458 aperto anche da un altro processo che vi ha scritto, la fine del file può
459 essersi spostata, ma noi scriveremo alla posizione settata in precedenza.
460 Questa è una potenziale sorgente di \textit{race condition}, e quando si vuole
461 essere sicuri di scrivere alla fine del file questo deve essere posto in
462 modalità \macro{O\_APPEND}.
464 Non tutti i file supportano la capacità di eseguire una \func{lseek}, in
465 questo caso la funzione ritorna l'errore \macro{EPIPE}. Questo, oltre che per
466 i tre casi citati nel prototipo, vale anche per tutti quei dispositivi che non
467 supportano questa funzione, come ad esempio per le \acr{tty}\footnote{altri
468 sistemi, usando \macro{SEEK\_SET} in questo caso ritornano il numero di
469 caratteri che vi sono stati scritti}. Lo standard POSIX però non specifica
470 niente al proposito. Infine alcuni device, ad esempio \file{/dev/null}, non
471 causano un errore ma restituiscono un valore indefinito.
474 \subsection{La funzione \func{read}}
475 \label{sec:file_read}
477 Per leggere da un file precedentemente aperto, si può la funzione \func{read},
479 \begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t read(int fd, void * buf, size\_t count)}
481 La funzione cerca di leggere \var{count} bytes dal file \var{fd} al buffer
484 La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1 in
485 caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
487 \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
488 aver potuto leggere quasiasi dato.
489 \item \macro{EAGAIN} la funzione non aveva nessun dato da restituire e si
490 era aperto il file in modalità \macro{O\_NONBLOCK}.
492 ed inoltre \macro{EBADF}, \macro{EIO}, \macro{EISDIR}, \macro{EBADF},
493 \macro{EINVAL} e \macro{EFAULT} ed eventuali altri errori dipendenti dalla
494 natura dell'oggetto connesso a \var{fd}.
497 La funzione tenta di leggere \var{count} byte a partire dalla posizione
498 corrente nel file; dopo la lettura la posizione è spostata automaticamente in
499 avanti del numero di bytes letti. Se \var{count} è zero la funzione
500 restituisce zero senza nessun altro risultato.
502 Si deve sempre tener presente che non è detto che la funzione \func{read}
503 restituisca il numero di byte richiesto, ci sono infatti varie ragioni per cui
504 la funzione può restituire un numero di byte inferiore. Questo è un
505 comportamento normale e non un errore, che però bisogna sempre tenere
508 La prima e più ovvia di queste ragioni è che si è chiesto di leggere più bytes
509 di quanto il file ne contenga. In questo caso il file viene letto fino alla
510 sua fine, e la funzione ritorna regolarmente il numero di byte letti
511 effettivamente. Se ripetessimo la lettura \func{read} restituirebbe uno zero.
512 La condizione raggiungimento della fine del file non è un errore, e viene
513 segnalata appunto da un valore di ritorno di \func{read} nullo, ripetere la
514 lettura non avrebbe nessun effetto se non quello di continuare a ricevere zero
515 come valore di ritorno.
517 Con i \textsl{file regolari} questa è l'unica situazione in cui si può avere
518 un numero di byte letti inferiore a quello richiesto, ma la situazione è
519 invece normale quando si legge da un terminale, o su una pipe. In tal caso
520 infatti, se non ci sono dati in ingresso, la \func{read} si blocca e ritorna
521 solo quando ne arrivano; se il numero di byte richiesti eccede quelli
522 disponibili la funzione ritorna comunque, ma con un numero di byte inferiore.
524 Lo stesso comportamento avviene caso di lettura dalla rete (cioè su un socket,
525 come vedremo in \secref{sec:sock_io_behav}), o per certi dispositivi come le
526 unità a nastro che restituiscono un singolo blocco di dati alla volta.
528 In realtà anche le due condizioni segnalate dagli errori \func{EINTR} e
529 \func{EAGAIN} non sono errori. La prima si verifica quando la \func{read} è
530 bloccata in attesa di dati in ingresso e viene interrotta da un segnale; in
531 tal caso l'azione da prendere è quella di rieseguire la funzione. Torneremo
532 sull'argomento in \secref{sec:signal_xxx}.
534 La seconda si verifica quando il file è in modalità non bloccante e non ci
535 sono dati in ingresso: la funzione allora ritorna immediatamente con un errore
536 \macro{EAGAIN}\footnote{sotto BSD questo per questo errore viene usata la
537 costante \macro{EWOULDBLOCK}, in GNU/Linux questa è sinonima di
538 \macro{EAGAIN}.} indicando che occorrerà provare a ripetere la lettura.
541 Lo standard Unix98\footnote{questa funzione, e l'analoga \func{pwrite} sono
542 state aggiunte nel kernel 2.1.60, il supporto nelle \acr{glibc}, compresa
543 l'emulazione per i vecchi kernel che non hanno la system call, è stato
544 aggiutno con la versione 2.1} (vedi \secref{sec:intro_opengroup}) prevede la
545 definizione di un'altra funzione di lettura, \func{pread}, che diventa
546 accessibile con la definizione:
548 #define _XOPEN_SOURCE 500
550 il prototipo di questa funzione è:
551 \begin{prototype}{unistd.h}
552 {ssize\_t pread(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
554 La funzione cerca di leggere \var{count} bytes dal file \var{fd}, a partire
555 dalla posizione \var{offset}, nel buffer \var{buf}.
557 La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1 in caso
558 di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata secondo i valori già visti
559 per \func{read} e \func{lseek}.
562 Questa funzione serve quando si vogliono leggere dati dal file senza
563 modificarne la posizione corrente. È equivalente alla esecuzione di una
564 \func{read} e una \func{lseek}, ma dato che la posizione sul file può essere
565 condivisa fra vari processi (vedi \secref{sec:file_sharing}), essa permette di
566 eseguire l'operazione atomicamente. Il valore di \var{offset} fa riferimento
570 \subsection{La funzione \func{write}}
571 \label{sec:file_write}
573 Per scrivere su un file si usa la funzione \func{write}, il cui prototipo è:
574 \begin{prototype}{unistd.h}{ssize\_t write(int fd, void * buf, size\_t count)}
576 La funzione scrive \var{count} bytes dal buffer \var{buf} sul file \var{fd}.
578 La funzione ritorna il numero di byte scritti in caso di successo e -1 in
579 caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ad uno dei valori:
581 \item \macro{EINVAL} \var{fd} è connesso ad un oggetto che non consente la
583 \item \macro{EFBIG} si è cercato di scrivere oltre la dimensione massima
584 consentita dal filesystem o il limite per le dimensioni dei file del
585 processo o su una posizione oltre il massimo consentito.
586 \item \macro{EPIPE} \var{fd} è connesso ad una pipe il cui altro capo è
587 chiuso in lettura; in questo caso viene anche generato il segnale
588 \macro{SIGPIPE}, se questo viene gestito (o bloccato o ignorato) la
589 funzione ritorna questo errore.
590 \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
591 aver potuto scerivere quasiasi dato.
592 \item \macro{EAGAIN} la funzione non aveva nessun dato da restituire e si
593 era aperto il file in modalità \macro{O\_NONBLOCK}.
595 ed inoltre \macro{EBADF}, \macro{EIO}, \macro{EISDIR}, \macro{EBADF},
596 \macro{ENOSPC}, \macro{EINVAL} e \macro{EFAULT} ed eventuali altri errori
597 dipendenti dalla natura dell'oggetto connesso a \var{fd}.
600 Come nel caso di \func{read} la funzione tenta di scrivere \var{count} byte a
601 partire dalla posizione corrente nel file e sposta automaticamente la
602 posizione in avanti del numero di bytes scritti. Se il file è aperto in
603 modalità \macro{O\_APPEND} i dati vengono sempre scritti alla fine del file.
604 Lo standard POSIX richiede che i dati scritti siano immediatamente disponibili
605 ad una \func{read} chiamata dopo che la \func{write} che li ha scritti è
606 ritornata; ma dati i meccanismi di caching non è detto che tutti i filesystem
607 supportino questa capacità.
609 Se \var{count} è zero la funzione restituisce zero senza fare nient'altro. Per
610 i file ordinari il numero di bytes scritti è sempre uguale a quello indicato
611 da \var{count}, a meno di un errore. Negli altri casi si ha lo stesso
612 comportamento di \func{read}.
614 Anche per \func{write} lo standard Unix98 definisce una analoga per scrivere
615 alla posizione indicata senza modificare la posizione corrente nel file, il
617 \begin{prototype}{unistd.h}
618 {ssize\_t pwrite(int fd, void * buf, size\_t count, off\_t offset)}
620 La funzione cerca di scrivere sul file \var{fd}, a partire dalla posizione
621 \var{offset}, \var{count} bytes dal buffer \var{buf}.
623 La funzione ritorna il numero di byte letti in caso di successo e -1 in caso
624 di errore, nel qual caso \var{errno} viene settata secondo i valori già visti
625 per \func{write} e \func{lseek}.
630 \section{Caratteristiche avanzate}
631 \label{sec:file_adv_func}
633 In questa sezione approfondireme alcune delle caratteristiche più sottili
634 della gestione file in un sistema unix-like, esaminando in dettaglio il
635 comportamento delle funzioni base, inoltre tratteremo alcune funzioni che
636 permettono di eseguire operazioni avanzate con i file.
639 \subsection{La condivisione dei files}
640 \label{sec:file_sharing}
642 In \secref{sec:file_fd} abbiamo descritto brevemente l'architettura
643 dell'interfaccia coi file da parte di un processo, mostrando in
644 \figref{fig:file_proc_file} le principali strutture usate dal kernel;
645 esamineremo ora in dettaglio le conseguenze che questa architettura ha nei
646 confronti dell'accesso allo stesso file da parte di processi diversi.
650 \includegraphics[width=14cm]{img/filemultacc.eps}
651 \caption{Schema dell'accesso allo stesso file da parte di due processi
653 \label{fig:file_mult_acc}
656 Il primo caso è quello in cui due processi diversi che aprono lo stesso file
657 su disco; sulla base di quanto visto in \secref{sec:file_fd} avremo una
658 situazione come quella illustrata in \figref{fig:file_mult_acc}: ciascun
659 processo avrà una sua voce nella \textit{file table} referenziata da un
660 diverso file descriptor nella sua \var{file\_struct}. Entrambe le voci nella
661 \textit{file table} faranno però riferimento allo stesso inode su disco.
663 Questo significa che ciascun processo avrà la sua posizione corrente sul file,
664 la sua modalità di accesso e versioni proprie di tutte le proprietà che
665 vengono mantenute nella sua voce della \textit{file table}. Questo ha
666 conseguenze specifiche sugli effetti della possibile azione simultanea sullo
667 stesso file, in particolare occorre tenere presente che:
669 \item ciascun processo può scrivere indipendentemente; dopo ciascuna
670 \func{write} la posizione corrente sarà cambiata solo nel processo. Se la
671 scrittura eccede la dimensione corrente del file questo verrà esteso
672 automaticamente con l'aggiornamento del campo \var{i\_size} nell'inode.
673 \item se un file è in modalità \macro{O\_APPEND} tutte le volte che viene
674 effettuata una scrittura la posizione corrente viene prima settata alla
675 dimensione corrente del file letta dall'inode. In questo modo il file viene
676 automaticamente esteso.
677 \item l'effetto di \func{lseek} è solo quello di cambiare il campo \var{f\_pos}
678 nella struttura \var{file} della \textit{file table}, non c'è nessuna
679 operazione sul file su disco. Quando la si usa per porsi alla fine del file
680 la posizione viene settata leggendo la dimensione corrente dall'inode.
685 \includegraphics[width=14cm]{img/fileshar.eps}
686 \caption{Schema dell'accesso ai file da parte di un processo figlio}
687 \label{fig:file_acc_child}
690 È comunque possibile che due file descriptor di due processi diversi puntino
691 alla stessa voce nella \textit{file table}; questo è ad esempio il caso dei
692 file aperti che venfono ereditati dal processo figlio all'esecuzione di una
693 \func{fork} (si ricordi quanto detto in \secref{sec:proc_fork}). La situazione
694 è illustrata in \figref{fig:file_acc_child}; dato che il processo figlio
695 riceve una copia dello spazio di indirizzi del padre, riceverà anche una copia
696 di \var{file\_struct} e relativa tabella dei file aperti.
698 In questo modo padre e figlio avranno gli stessi file descriptor che faranno
699 riferimento alla stessa voce nella \textit{file table}, condividendo così la
700 posizione corrente sul file. Questo ha le cosenguenze descritte a suo tempo in
701 \secref{sec:proc_fork}: in caso di scrittura contemporanea la posizione
702 corrente nel file varierà per entrambi i processi (in quanto verrà modificato
703 \var{f\_pos} che è la stesso per entrambi).
705 Si noti inoltre che anche i flag di stato del file (quelli settati dal
706 parametro \var{flag} di \func{open}) essendo tenuti nella voce della
707 \textit{file table} (il campo \var{f\_flag} di \var{file}), vengono in questo
708 caso condivisi. Ai file però sono associati anche altri flag (l'unico usato al
709 momento è \macro{FD\_CLOEXEC}), detti \textit{file descriptor flags}, tenuti
710 invece in \var{file\_struct}; questi sono specifici di ciascun processo, e non
711 vengono toccati anche in caso di condivisione della voce della \textit{file
717 \subsection{Operazioni atomiche coi file}
718 \label{sec:file_atomic}
724 \subsection{La funzioni \func{dup} e \func{dup2}}
731 \includegraphics[width=14cm]{img/filedup.eps}
732 \caption{Schema dell'accesso ai file duplicati}
737 \subsection{La funzione \func{fcntl}}
738 \label{sec:file_fcntl}
740 \subsection{La funzione \func{ioctl}}
741 \label{sec:file_ioctl}