fileunix.tex

   1 \chapter{L'interfaccia unix di I/O con i file}
   2 \label{cha:file_unix_interface}
   3
   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
   9 ANSI C.
  10
  11
  12
  13 \section{L'architettura di base}
  14 \label{sec:file_base_arch}
  15
  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
  20
  21 \subsection{L'architettura dei \textit{file descriptor}}
  22 \label{sec:file_fd}
  23
  24 Per poter accedere al contenuto di un file occorre creare un canale di
  25 comunicazione con il kernel che renda possibile operare su di esso (si ricordi
  26 quanto visto in \secref{sec:file_vfs_work}). Questo si fa aprendo il file con
  27 la funzione \func{open} che provvederà a localizzare l'inode del file e
  28 inizializzare le funzioni che il VFS mette a disposizione (riportate in
  29 \tabref{tab:file_file_operations}). Una volta terminate le operazioni, il file
  30 dovrà essere chiuso, e questo chiuderà il canale di comunicazione impedendo
  31 ogni ulteriore operazione.
  32
  33 All'interno di ogni processo i file aperti sono identificati da un intero non
  34 negativo, chiamato appunto \textit{file descriptor}, quando un file viene
  35 aperto la funzione restituisce il file descriptor, e tutte le successive
  36 operazioni devono passare il \textit{file descriptors} come argomento.
  37
  38 Per capire come funziona il meccanismo occorre spiegare a grandi linee come è
  39 che il kernel gestisce l'interazione fra processi e file.  Il kernel mantiene
  40 sempre un elenco dei processi attivi nella cosiddetta \textit{process table}
  41 ed un elenco dei file aperti nella \textit{file table}.
  42
  43 La \textit{process table} è una tabella che contiene una voce per ciascun
  44 processo attivo nel sistema. In Linux ciascuna voce è costituita da una
  45 struttura di tipo \var{task\_struct} nella quale sono raccolte tutte le
  46 informazioni relative al processo; fra queste informazioni c'è anche il
  47 puntatore ad una ulteriore struttura di tipo \var{files\_struct}, in cui sono
  48 contenute le informazioni relative ai file che il processo ha aperto, ed in
  49 particolare:
  50 \begin{itemize*}
  51 \item i flag relativi ai file descriptor.
  52 \item il numero di file aperti.
  53 \item una tabella che contiene un puntatore alla relativa voce nella
  54   \textit{file table} per ogni file aperto.
  55 \end{itemize*}
  56 il \textit{file descriptor} in sostanza è l'intero positivo che indicizza
  57 quest'ultima tabella.
  58
  59 La \textit{file table} è una tabella che contiene una voce per ciascun file
  60 che è stato aperto nel sistema. In Linux è costituita da strutture di tipo
  61 \var{file}; in ciascuna di esse sono tenute varie informazioni relative al
  62 file, fra cui:
  63 \begin{itemize*}
  64 \item lo stato del file (nel campo \var{f\_flags}).
  65 \item il valore della posizione corrente (l'\textit{offset}) nel file (nel
  66   campo \var{f\_pos}).
  67 \item un puntatore all'inode\footnote{nel kernel 2.4.x si è in realtà passati
  68     ad un puntatore ad una struttura \var{dentry} che punta a sua volta
  69     all'inode passando per la nuova struttura del VFS} del file.
  70 %\item un puntatore alla tabella delle funzioni \footnote{la struttura
  71 %    \var{f\_op} descritta in \secref{sec:file_vfs_work}} che si possono usare
  72 %  sul file.
  73 \end{itemize*}
  74
  75 In \figref{fig:file_proc_file} si è riportato uno schema in cui è illustrata
  76 questa architettura, in cui si sono evidenziate le interrelazioni fra le varie
  77 strutture di dati sulla quale essa è basata.
  78 \begin{figure}[htb]
  79   \centering
  80   \includegraphics[width=14cm]{img/procfile.eps}
  81   \caption{Schema della architettura dell'accesso ai file attraverso
  82   l'interfaccia dei \textit{file descroptor}}
  83   \label{fig:file_proc_file}
  84 \end{figure}
  85 Ritorneremo su questo schema più volte, dato che esso è fondamentale per
  86 capire i dettagli del funzionamento delle dell'interfaccia dei \textit{file
  87   descriptor}.
  88
  89
  90 \subsection{I file standard}
  91 \label{sec:file_std_descr}
  92
  93 Come accennato i \textit{file descriptor} non sono altro che un indice nella
  94 tabella dei file aperti di ciascun processo; per questo motivo essi vengono
  95 assegnati in successione tutte le volte che si apre un nuovo file (se non se
  96 ne è chiuso nessuno in precedenza).
  97
  98 In tutti i sistemi unix-like esiste una convenzione generale per cui ogni
  99 processo viene lanciato con almeno tre file aperti. Questi, per quanto
 100 dicevamo prima, avranno come \textit{file descriptor} i valori 0, 1 e 2.
 101 Benché questa sia soltanto una convenzione, essa è seguita dalla gran parte
 102 delle applicazioni, e non aderirvi potrebbe portare a gravi problemi di
 103 interoperabilità.
 104
 105 Il primo file è sempre associato a quello che viene chiamato \textit{standard
 106   input}, è cioè il file da cui il processo si aspetta di ricevere i dati in
 107 ingresso (nel caso della shell, è associato alla lettura della tastiera); il
 108 secondo file è il cosiddetto \textit{standard output}, cioè il file su cui ci
 109 si aspetta debbano essere inviati i dati in uscita (sempre nel caso della
 110 shell, è il terminale su cui si sta scrivendo), il terzo è lo \textit{standard
 111   error}, su cui viene inviato l'output relativo agli errori.
 112 Lo standard POSIX.1 provvede tre costanti simboliche, definite nell'header
 113 \file{unistd.h}, al posto di questi valori numerici:
 114 \begin{table}[htb]
 115   \centering
 116   \footnotesize
 117   \begin{tabular}[c]{|l|l|}
 118     \hline
 119     \textbf{Costante} & \textbf{Significato} \\
 120     \hline
 121     \hline
 122     \macro{STDIN\_FILENO}  & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
 123       input} \\
 124     \macro{STDOUT\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
 125       output} \\
 126     \macro{STDERR\_FILENO} & \textit{file descriptor} dello \textit{standard
 127       error}\\
 128     \hline
 129   \end{tabular}
 130   \caption{Costanti definite in \file{unistd.h} per i file standard aperti
 131     alla creazione di ogni processo.}
 132   \label{tab:file_std_files}
 133 \end{table}
 134
 135 In \curfig\ si è utilizzata questa situazione come esempio, facendo
 136 riferimento ad un programma in cui lo \textit{standard input} è associato ad
 137 un file mentre lo \textit{standard output} e lo \textit{standard error} sono
 138 entrambi associati ad un altro file (e quindi utilizzano lo stesso inode).
 139
 140 Nelle vecchie versioni di unix (ed anche in Linux fino al kernel 2.0.x) il
 141 numero di file aperti era anche soggetto ad un limite massimo dato dalle
 142 dimensioni del vettore di puntatori con cui era realizzata la tabella dei file
 143 descriptor dentro \var{file\_struct}; questo limite intrinseco non sussiste
 144 più, dato che si è passati da un vettore ad una linked list, ma restano i
 145 limiti imposti dall'amministratore (vedi \secref{sec:sys_limits}).
 146
 147
 148
 149 \section{Le funzioni base}
 150 \label{sec:file_base_func}
 151
 152 L'interfaccia standard unix per l'input/output sui file è basata su cinque
 153 funzioni fondamentali \func{open}, \func{read}, \func{write}, \func{lseek} e
 154 \func{close}, usate rispettivamente per aprire, leggere, scrivere, spostarsi e
 155 chiudere un file.
 156
 157 La gran parte delle operazioni sui file si effettua attraverso queste cinque
 158 funzioni, esse vengono chiamate anche funzioni di I/O non bufferizzato dato
 159 che effettuano le operazioni di lettura e scrittura usando direttamente le
 160 system call del kernel.
 161
 162
 163 \subsection{La funzione \func{open}}
 164 \label{sec:file_open}
 165
 166 La funzione \func{open} è la funzione fondamentale per accedere ai file, ed è
 167 quella che crea l'associazione fra un pathname ed un file descriptor; il suo
 168 prototipo è:
 169 \begin{functions}
 170   \headdecl{sys/types.h}
 171   \headdecl{sys/stat.h}
 172   \headdecl{fcntl.h}
 173   \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags)}
 174   \funcdecl{int open(const char *pathname, int flags, mode\_t mode)}
 175   Apre il file indicato da \var{pathname} nella modalità indicata da
 176   \var{flags}, e, nel caso il file sia creato, con gli eventuali permessi
 177   specificati da \var{mode}.
 178
 179   La funzione ritorna il file descriptor in caso di successo e -1 in caso di
 180   errore. In questo caso la variabile \var{errno} viene settata ad uno dei
 181   valori:
 182
 183   \begin{errlist}
 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}
 189     non è una directory.
 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
 194     che non esiste.
 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
 199     simbolico.
 200   \end{errlist}
 201   ed inoltre \macro{EACCES}, \macro{ENAMETOOLONG}, \macro{ENOENT},
 202   \macro{EROFS}, \macro{EFAULT}, \macro{ENOSPC}, \macro{ENOMEM},
 203   \macro{EMFILE} e \macro{ENFILE}.
 204 \end{functions}
 205
 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).
 214
 215 Il nuovo file descriptor non è condiviso con nessun altro processo, (torneremo
 216 sulla condivisione dei file, in genere accessibile dopo una \func{fork}, in
 217 \secref{sec:file_sharing}). Il nuovo file descriptor è settato di default per
 218 restare aperto attraverso una \func{exec} (come accennato in
 219 \secref{sec:proc_exec}) ed l'offset è settato all'inizio del file.
 220
 221 Il parametro \var{mode} specifica i permessi con cui il file viene
 222 eventualmente creato; i valori possibili sono gli stessi già visti in
 223 \secref{sec:file_perm_overview} e possono essere specificati come OR binario
 224 delle costanti descritte in \tabref{tab:file_bit_perm}. Questi permessi
 225 filtrati dal valore di \file{umask} (vedi \secref{sec:file_umask}) per il
 226 processo.
 227
 228 La funzione prevede diverse opzioni, che vengono specificate usando vari bit
 229 del parametro \var{flags}.  Alcuni di questi bit vanno anche a costituire il
 230 flag di stato del file (o \textit{file status flag}), che è mantenuto nel
 231 campo \var{f\_flags} della struttura \var{file} (al solito si veda lo schema
 232 di \curfig).  Essi sono divisi in tre categorie principali:
 233 \begin{itemize}
 234 \item \textsl{i bit delle modalità di accesso}: specificano con quale modalità
 235   si accederà al file: i valori possibili sono lettura, scrittura o
 236   lettura/scrittura.  Uno di questi bit deve essere sempre specificato quando
 237   si apre un file.  Vengono settati alla chiamata da \func{open}, e possono
 238   essere riletti con una \func{fcntl} (fanno parte del \textit{file status
 239     flag}), ma non modificati.
 240 \item \textsl{i bit delle modalità di apertura}: permettono di specificare
 241   alcune delle caratteristiche del comportamento di \func{open} quando viene
 242   eseguita. Hanno effetto solo al momento della chiamata della funzione e non
 243   sono memorizzati nè possono essere riletti.
 244 \item \textsl{i bit delle modalità di operazione}: permettono di specificare
 245   alcune caratteristiche del comportamento delle future operazioni sul file
 246   (come la \func{read} o la \func{write}). Anch'essi fanno parte del
 247   \textit{file status flag}. Il loro valore è settato alla chiamata di
 248   \func{open}, ma possono essere riletti e modificati (insieme alle
 249   caratteristiche operative che controllano) con una \func{fcntl}.
 250 \end{itemize}
 251
 252 In \ntab\ si sono riportate, ordinate e divise fra loro secondo le tre
 253 modalità appena elencate, le costanti mnemoniche associate a ciascuno di
 254 questi bit, dette costanti possono essere combinate fra di loro con un OR
 255 aritmetico per costruire il valore (in forma di maschera binaria) del
 256 parametro \var{flags} da passare alla \func{open} per specificarne il
 257 comportamento.
 258
 259 \begin{table}[!htbp]
 260   \centering
 261   \footnotesize
 262   \begin{tabular}[c]{|l|p{12cm}|}
 263     \hline
 264     \textbf{Flag} & \textbf{Descrizione} \\
 265     \hline
 266     \hline % modailtà di accesso al file
 267     \macro{O\_RDONLY} & apre il file in sola lettura. \\
 268     \macro{O\_WRONLY} & apre il file in sola scrittura. \\
 269     \macro{O\_RDWR} & apre il file lettura/scrittura. \\
 270     \hline % modalita di apertura del file
 271     \hline
 272     \macro{O\_CREAT} & se il file non esiste verrà creato, con le regole di
 273     titolarità del file viste in \secref{sec:file_ownership}. Il parametro
 274     \var{mode} deve essere specificato. \\
 275     \macro{O\_EXCL} & usato in congiunzione con \macro{O\_CREAT} fa sì che
 276     l'esistenza del file diventi un errore\footnote{la man page di \func{open}
 277     segnala che questa opzione è difettosa su NFS, e che i programmi che la
 278     usano per stabilire un file di lock possono incorrere in una race
 279     condition.  Si consiglia come alternativa di usare un file con un nome
 280     univoco e la funzione \func{link} per verificarne l'esistenza.} che fa
 281     fallire \func{open} con \macro{EEXIST}. \\
 282     \macro{O\_NONBLOCK} & apre il file in modalità non bloccante. Questo
 283     valore specifica anche una modalità di operazione (vedi sotto), e
 284     comporta che \func{open} ritorni immediatamente (torneremo su
 285     questo in \secref{sec:file_noblocking}). \\
 286     \macro{O\_NOCTTY} & se \var{pathname} si riferisce ad un device di
 287     terminale, questo non diventerà il terminale di controllo, anche se il
 288     processo non ne ha ancora uno (si veda \secref{sec:sess_xxx}). \\
 289     \macro{O\_SHLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno shared lock (vedi
 290     \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
 291     \macro{O\_EXLOCK} & opzione di BSD, acquisisce uno lock esclusivo (vedi
 292     \secref{sec:file_locking}) sul file. Non è disponibile in Linux. \\
 293     \macro{O\_TRUNC} & se il file esiste ed è un file di dati e la modalità di
 294     apertura consente la scrittura, allora la sua lunghezza verrà troncata a
 295     zero. Se il file è un terminale o una fifo il flag verrà ignorato, negli
 296     altri casi il comportamento non è specificato. \\
 297     \macro{O\_NOFOLLOW} & se \var{pathname} è un link simbolico la chiamata
 298     fallisce. Questa è una estensione BSD aggiunta in Linux dal kernel 2.1.126.
 299     Nelle versioni precedenti i link simbolici sono sempre seguiti, e questa
 300     opzione è ignorata. \\
 301     \macro{O\_DIRECTORY} & se \var{pathname} non è una directory la chiamata
 302     fallisce. Questo flag è specifico di Linux ed è stato introdotto con il
 303     kernel 2.1.126 per evitare dei DoS\footnote{Denial of Service, si chiamano
 304     così attacchi miranti ad impedire un servizio causando una qualche forma
 305     di carico eccessivo per il sistema, che resta bloccato nelle risposte
 306     all'attacco} quando \func{opendir} viene chiamata su una fifo o su un
 307     device di unità a nastri, non deve essere utilizzato al di fuori
 308     dell'implementazione di \func{opendir}. \\
 309     \macro{O\_LARGEFILE} & nel caso di sistemi a 32 bit che supportano file di
 310     grandi dimensioni consente di aprire file le cui dimensioni non possono
 311     essere rappresentate da numeri a 31 bit. \\
 312     \hline
 313     \hline  % modalità di operazione col file
 314     \macro{O\_APPEND} & il file viene aperto in append mode. Prima di ciascuna
 315     scrittura la posizione corrente viene sempre settata alla fine del
 316     file. Può causare corruzione del file con NFS se più di un processo scrive
 317     allo stesso tempo\footnote{il problema è che NFS non supporta la scrittura
 318     in append, ed il kernel deve simularla, ma questo comporta la possibilità
 319     di una race condition}.\\
 320     \macro{O\_NONBLOCK} & il file viene aperto in modalità non bloccante per
 321     le operazioni di I/O: questo significa il fallimento di una \func{read} in
 322     assenza di dati da leggere e quello di una \func{write} in caso di
 323     impossibilità di scrivere immediatamente. L'opzione è effettiva solo per
 324     le fifo e per alcuni file di dispositivo. \\
 325     \macro{O\_NDELAY} & in Linux\footnote{l'opzione origina da SVr4, dove però
 326     causava il ritorno da una \func{read} con un valore nullo e non con un
 327     errore, questo introduce una ambiguità, dato che come vedremo in
 328     \secref{sec:file_read} il ritorno di zero da parte di \func{read} ha il
 329     significato di una end-of-file} è sinonimo di \macro{O\_NONBLOCK}.\\
 330     \macro{O\_ASYNC} & apre il file per l'input/output in modalità
 331     asincrona. Non è supportato in Linux. \\
 332     \macro{O\_SYNC} & apre il file per l'input/output sincrono, ogni
 333     \func{write} bloccherà fino al completamento della scrittura di tutti dati
 334     sul sull'hardware sottostante.\\
 335     \macro{O\_FSYNC} & sinonimo di \macro{O\_SYNC}. \\
 336     \macro{O\_NOATIME} & blocca l'aggiornamento dei tempi dei di accesso dei
 337     file (vedi \secref{sec:file_file_times}). In Linux questa opzione non è
 338     disponibile per il singolo file ma come opzione per il filesystem in fase
 339     di montaggio.\\
 340     \hline
 341   \end{tabular}
 342   \caption{Costanti definite in \file{fcntl.h} per indicare i vari bit
 343     usabili per il specificare parametro \var{flags} di \func{open}.}
 344   \label{tab:file_open_flags}
 345 \end{table}
 346
 347 Nelle prime versioni di unix i flag specificabili per \func{open} erano solo
 348 quelli relativi alle modalità di accesso del file.  Per questo motivo per
 349 creare un nuovo file c'era una system call apposita, \func{creat}, il cui
 350 prototipo è:
 351 \begin{prototype}{fcntl.h}
 352   {int creat(const char *pathname, mode\_t mode)}
 353   Crea un nuovo file vuoto, con i permessi specificati da \var{mode}. É del
 354   tutto equivalente a \func{open(filedes, O\_CREAT|O\_WRONLY|O\_TRUNC, mode)}.
 355 \end{prototype}
 356
 357 adesso questa funzione resta solo per compatibilità con i vecchi programmi.
 358
 359
 360
 361
 362
 363 \subsection{La funzione \func{close}}
 364 \label{sec:file_close}
 365
 366 \subsection{La funzione \func{lseek}}
 367 \label{sec:file_lseek}
 368
 369 \subsection{La funzione \func{read}}
 370 \label{sec:file_read}
 371
 372 \subsection{La funzione \func{write}}
 373 \label{sec:file_write}
 374
 375
 376 \section{Funzioni avanzate}
 377 \label{sec:file_adv_func}
 378
 379
 380 \subsection{La condivisione dei files}
 381 \label{sec:file_sharing}
 382
 383 Si noti che i flag di stato del file, quelli settati dal parametro \var{flag}
 384 di \func{open}, essendo tenuti nella vode sulla file table, vengono condivisi,
 385 ai file sono però associati anche altri flag, (tenuti invece nella struttura
 386 \var{file\_struct} interna alla process table) che sono unici per ciascun file
 387 descriptor, e sono pertanto detti \textit{file descriptor flags} (l'unico
 388 usato al momento è \macro{FD\_CLOEXEC}).
 389
 390
 391 \subsection{Operazioni atomiche coi file}
 392 \label{sec:file_atomic}
 393
 394
 395 \subsection{La funzioni \func{dup} e \func{dup2}}
 396 \label{sec:file_dup}
 397
 398 \subsection{La funzione \func{fcntl}}
 399 \label{sec:file_fcntl}
 400
 401 \subsection{La funzione \func{ioctl}}
 402 \label{sec:file_ioctl}
 403