\chapter{La gestione avanzata dei file}
\label{cha:file_advanced}

In questo capitolo affronteremo le tematiche relative alla gestione avanzata
dei file, che non sono state trattate in \capref{cha:file_unix_interface},
dove ci si è limitati ad una panoramica delle funzioni base. In particolare
tratteremo delle funzioni di input/output avanzato e del \textit{file
  locking}.


\section{Le funzioni di I/O avanzato}
\label{sec:file_advanced_io}

In questa sezione esamineremo le funzioni che permettono una gestione più
sofisticata dell'I/O su file, a partire da quelle che permettono di gestire
l'accesso contemporaneo a più file, per concludere con la gestione dell'I/O
mappato in memoria.


\subsection{La modalità di I/O \textsl{non-bloccante}}
\label{sec:file_noblocking}

Abbiamo visto in \secref{sec:sig_gen_beha}, affrontando la suddivisione fra
\textit{fast} e \textit{slow} system call, che in certi casi le funzioni di
I/O possono bloccarsi indefinitamente.\footnote{si ricordi però che questo può
  accadere solo per le pipe, i socket ed alcuni file di dispositivo; sui file
  normali le funzioni di lettura e scrittura ritornano sempre subito.}  Ad
esempio le operazioni di lettura possono bloccarsi quando non ci sono dati
disponibili sul descrittore su cui si sta operando.

Questo comportamento causa uno dei problemi più comuni che ci si trova ad
affrontare nelle operazioni di I/O, che è quello che si verifica quando si
devono eseguire operazioni che possono bloccarsi su più file descriptor:
mentre si è bloccati su uno di essi su di un'altro potrebbero essere presenti
dei dati; così che nel migliore dei casi si avrebbe una lettura ritardata
inutilmente, e nel peggiore si potrebbe addirittura arrivare ad un deadlock.

Abbiamo già accennato in \secref{sec:file_open} che è possibile prevenire
questo tipo di comportamento aprendo un file in modalità
\textsl{non-bloccante}, attraverso l'uso del flag \macro{O\_NONBLOCK} nella
chiamata di \func{open}. In questo caso le funzioni di input/output che
altrimenti si sarebbero bloccate ritornano immediatamente, restituendo
l'errore \macro{EAGAIN}.

L'utilizzo di questa modalità di I/O permette di risolvere il problema
controllando a turno i vari file descriptor, in un ciclo in cui si ripete
l'accesso fintanto che esso non viene garantito.  Ovviamente questa tecnica,
detta \textit{polling}, è estremamente inefficiente: si tiene costantemente
impiegata la CPU solo per eseguire in continuazione delle system call che
nella gran parte dei casi falliranno. Per evitare questo, come vedremo in
\secref{sec:file_multiplexing}, è stata introdotta una nuova interfaccia di
programmazione, che comporta comunque l'uso della modalità di I/O non
bloccante.



\subsection{L'I/O multiplexing}
\label{sec:file_multiplexing}

Per superare il problema di dover usare il \textit{polling} per controllare la
possibilità di effettuare operazioni su un file aperto in modalità non
bloccante, sia BSD che System V hanno introdotto delle nuove funzioni in grado
di sospendere l'esecuzione di un processo in attesa che l'accesso diventi
possibile.  Il primo ad introdurre questa modalità di operazione, chiamata
usualmente \textit{I/O multiplexing}, è stato BSD,\footnote{la funzione è
  apparsa in BSD4.2 e standardizzata in BSD4.4, ma è stata portata su tutti i
  sistemi che supportano i \textit{socket}, compreso le varianti di System V.}
con la funzione \func{select}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/time.h}
  \headdecl{sys/types.h}
  \headdecl{unistd.h}
  \funcdecl{int select(int n, fd\_set *readfds, fd\_set *writefds, fd\_set
    *exceptfds, struct timeval *timeout)}
  
  Attende che uno dei file descriptor degli insiemi specificati diventi
  attivo.
  
  \bodydesc{La funzione in caso di successo restituisce il numero di file
    descriptor (anche nullo) che sono attivi, e -1 in caso di errore, nel qual
    caso \var{errno} viene settata ai valori:
  \begin{errlist}
  \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
  degli insiemi.
  \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
  \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{ENOMEM}.
}
\end{functions}

La funzione mette il processo in stato di \textit{sleep} (vedi
\tabref{tab:proc_proc_states}) fintanto che almeno uno dei file descriptor
degli insiemi specificati (\param{readfds}, \param{writefds} e
\param{exceptfds}), non diventa attivo, per un tempo massimo specificato da
\param{timeout}.

Per specificare quali file descriptor si intende \textsl{selezionare}, la
funzione usa un particolare oggetto, il \textit{file descriptor set},
identificato dal tipo \type{fd\_set}, che serve ad identificare un insieme di
file descriptor, (in maniera analoga a come un \textit{signal set}, vedi
\secref{sec:sig_sigset}, identifica un insieme di segnali). Per la
manipolazione di questi \textit{file descriptor set} si possono usare delle
opportune macro di preprocessore:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/time.h}
  \headdecl{sys/types.h}
  \headdecl{unistd.h}
  \funcdecl{FD\_ZERO(fd\_set *set)}
  Inizializza l'insieme (vuoto).

  \funcdecl{FD\_SET(int fd, fd\_set *set)}
  Inserisce il file descriptor \param{fd} nell'insieme.

  \funcdecl{FD\_CLR(int fd, fd\_set *set)}
  Rimuove il file descriptor \param{fd} nell'insieme.
  
  \funcdecl{FD\_ISSET(int fd, fd\_set *set)}
  Controlla se il file descriptor \param{fd} è nell'insieme.
\end{functions}

In genere un \textit{file descriptor set} può contenere fino ad un massimo di
\macro{FD\_SETSIZE} file descriptor.  Questo valore in origine corrispondeva
al limite per il numero massimo di file aperti\footnote{ad esempio in Linux,
  fino alla serie 2.0.x, c'era un limite di 256 file per processo.}, ma
quando, come nelle versioni più recenti del kernel, non c'è più un limite
massimo, esso indica le dimensioni massime dei numeri usati nei \textit{file
  descriptor set}.

La funzione richiede di specificare tre insiemi distinti di file descriptor;
il primo, \param{readfds}, verrà osservato per rilevare la disponibilità di
effettuare una lettura, il secondo, \param{writefds}, per verificare la
possibilità effettuare una scrittura ed il terzo, \param{exceptfds}, per
verificare l'esistenza di condizioni eccezionali (come i messaggi urgenti su
un \textit{socket}\index{socket}, vedi \secref{sec:xxx_urgent}).

La funzione inoltre richiede anche di specificare, tramite l'argomento
\param{n}, un valore massimo del numero dei file descriptor usati
nell'insieme; si può usare il già citato \macro{FD\_SETSIZE}, oppure il numero
più alto dei file descriptor usati nei tre insiemi, aumentato di uno.

Infine l'argomento \param{timeout}, specifica un tempo massimo di
attesa\footnote{il tempo è valutato come \textit{elapsed time}.} prima che la
funzione ritorni; se settato a \macro{NULL} la funzione attende
indefinitamente. Si può specificare anche un tempo nullo (cioè una \var{struct
  timeval} con i campi settati a zero), qualora si voglia semplicemente
controllare lo stato corrente dei file descriptor.

La funzione restituisce il totale dei file descriptor pronti nei tre insiemi,
il valore zero indica sempre che si è raggiunto un timeout. Ciascuno dei tre
insiemi viene sovrascritto per indicare quale file descriptor è pronto per le
operazioni ad esso relative, in modo da poterlo controllare con la macro
\macro{FD\_ISSET}. In caso di errore la funzione restituisce -1 e gli insiemi
non vengono toccati.

In Linux \func{select} modifica anche il valore di \param{timeout}, settandolo
al tempo restante; questo è utile quando la funzione viene interrotta da un
segnale, in tal caso infatti si ha un errore di \macro{EINTR}, ed occorre
rilanciare la funzione; in questo modo non è necessario ricalcolare tutte le
volte il tempo rimanente.\footnote{questo può causare problemi di portabilità
  sia quando si trasporta codice scritto su Linux che legge questo valore, sia
  quando si usano programmi scritti per altri sistemi che non dispongono di
  questa caratteristica e ricalcolano \param{timeout} tutte le volte. In
  genere la caratteristica è disponibile nei sistemi che derivano da System V
  e non disponibile per quelli che derivano da BSD.}

Come accennato l'interfaccia di \func{select} è una estensione di BSD; anche
System V ha introdotto una sua interfaccia per gestire l'\textit{I/O
  multiplexing}, basata sulla funzione \func{poll},\footnote{la funzione è
  prevista dallo standard XPG4, ed è stata introdotta in Linux come system
  call a partire dal kernel 2.1.23 e dalle \acr{libc} 5.4.28.} il cui prototipo è:
\begin{prototype}{sys/poll.h}
  {int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout)}

La funzione attente un cambiamento di stato per uno dei file descriptor
specificati da \param{ufds}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor con attività in
  caso di successo, o 0 se c'è stato un timeout; in caso di errore viene
  restituito  -1 ed \var{errno} viene settata ai valori:
  \begin{errlist}
  \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
  degli insiemi.
  \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EFAULT} e \macro{ENOMEM}.}
\end{prototype}

La funzione tiene sotto controllo un numero \param{ndfs} di file descriptor
specificati attraverso un vettore di puntatori a strutture di tipo
\type{pollfd}, la cui definizione è riportata in \figref{fig:file_pollfd}.
Come \func{select} anche \func{poll} permette di interrompere l'attesa dopo un
certo tempo, che va specificato attraverso \param{timeout} in numero di
millisecondi (un valore negativo indica un'attesa indefinita).

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{15cm}
    \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
struct pollfd {
        int fd;           /* file descriptor */
        short events;     /* requested events */
        short revents;    /* returned events */
};
    \end{lstlisting}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \type{pollfd}, utilizzata per specificare le modalità
    di controllo di un file descriptor alla funzione \func{poll}.}
  \label{fig:file_pollfd}
\end{figure}

Per ciascun file da controllare deve essere opportunamente predisposta una
struttura \type{pollfd}; nel campo \var{fd} deve essere specificato il file
descriptor, mentre nel campo \var{events} il tipo di evento su cui si vuole
attendere; quest'ultimo deve essere specificato come maschera binaria dei
primi tre valori riportati in \tabref{tab:file_pollfd_flags} (gli altri
vengono utilizzati solo per \var{revents} come valori in uscita).

\begin{table}[htb]
  \centering
  \footnotesize
  \begin{tabular}[c]{|l|c|l|}
    \hline
    \textbf{Flag} & \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \macro{POLLIN}    & 0x001 & È possibile la lettura immediata.\\
    \macro{POLLPRI}   & 0x002 & Sono presenti dati urgenti.\\
    \macro{POLLOUT}   & 0x004 & È possibile la scrittura immediata.\\
    \hline
    \macro{POLLERR}   & 0x008 & C'è una condizione di errore.\\
    \macro{POLLHUP}   & 0x010 & Si è verificato un hung-up.\\
    \macro{POLLNVAL}  & 0x020 & Il file descriptor non è aperto.\\
    \hline
    \macro{POLLRDNORM}& 0x040 & Sono disponibili in lettura dati normali.\\ 
    \macro{POLLRDBAND}& 0x080 & Sono disponibili in lettura dati ad alta 
                                priorità. \\
    \macro{POLLWRNORM}& 0x100 & È possibile la scrittura di dati normali.  \\ 
    \macro{POLLWRBAND}& 0x200 & È possibile la scrittura di dati ad 
                                alta priorità. \\
    \macro{POLLMSG}   & 0x400 & Estensione propria di Linux.\\
    \hline    
  \end{tabular}
  \caption{Costanti per l'identificazione dei vari bit dei campi
    \var{events} e \var{revents} di \type{pollfd}.}
  \label{tab:file_pollfd_flags}
\end{table}

La funzione ritorna, restituendo il numero di file per i quali si è verificata
una delle condizioni di attesa richieste o un errore. Lo stato dei file
all'uscita della funzione viene restituito nel campo \var{revents} della
relativa struttura \type{pollfd}, che viene settato alla maschera binaria dei
valori riportati in \tabref{tab:file_pollfd_flags}, ed oltre alle tre
condizioni specificate tramite \var{events} può riportare anche l'occorrere di
una condizione di errore.

Lo standard POSIX è rimasto a lungo senza primitive per l'\textit{I/O
  multiplexing}, che è stata introdotto con le ultime revisioni dello standard
(POSIX 1003.1g-2000 e POSIX 1003.1-2001). Esso prevede che tutte le funzioni
ad esso relative vengano dichiarate nell'header \file{sys/select.h}, che
sostituisce i precedenti, ed aggiunge a \func{select} una nuova funzione
\func{pselect},\footnote{il supporto per lo standard POSIX 1003.1-2001, ed
  l'header \file{sys/select.h}, compaiono in Linux a partire dalle \acr{glibc}
  2.1. Le \acr{libc4} e \acr{libc5} non contengono questo header, le
  \acr{glibc} 2.0 contengono una definizione sbagliata di \func{psignal},
  senza l'argomento \param{sigmask}, la definizione corretta è presente dalle
  \acr{glibc} 2.1-2.2.1 se si è definito \macro{\_GNU\_SOURCE} e nelle
  \acr{glibc} 2.2.2-2.2.4 se si è definito \macro{\_XOPEN\_SOURCE} con valore
  maggiore di 600.} il cui prototipo è:
\begin{prototype}{sys/select.h}
  {int pselect(int n, fd\_set *readfds, fd\_set *writefds, fd\_set *exceptfds,
    struct timespec *timeout, sigset\_t *sigmask)}
  
  Attende che uno dei file descriptor degli insiemi specificati diventi
  attivo.
  
  \bodydesc{La funzione in caso di successo restituisce il numero di file
    descriptor (anche nullo) che sono attivi, e -1 in caso di errore, nel qual
    caso \var{errno} viene settata ai valori:
  \begin{errlist}
  \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno
  degli insiemi.
  \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
  \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{ENOMEM}.}
\end{prototype}

La funzione è sostanzialmente identica a \func{select}, solo che usa una
struttura \type{timespec} per indicare con maggiore precisione il timeout e
non ne aggiorna il valore in caso di interruzione, inoltre prende un argomento
aggiuntivo \param{sigmask} che è il puntatore ad una maschera di segnali (si
veda \secref{sec:sig_sigmask}). La maschera corrente viene sostituita da
questa immediatamente prima di eseguire l'attesa, e ripristinata al ritorno
della funzione.

L'uso di \param{sigmask} è stato introdotto allo scopo di prevenire possibili
race condition\footnote{in Linux però, non esistendo una system call apposita,
  la funzione è implementata nelle \acr{glibc} usando \func{select}, e la
  possibilità di una race condition resta.} quando si deve eseguire un test su
una variabile settata da un manipolatore sulla base dell'occorrenza di un
segnale per decidere se lanciare \func{select}. Fra il test e l'esecuzione è
presente una finestra in cui potrebbe arrivare il segnale che non sarebbe
rilevato; la race condition diventa superabile disabilitando il segnale prima
del test e riabilitandolo poi grazie all'uso di \param{sigmask}.



\subsection{L'\textsl{I/O asincrono}}
\label{sec:file_asyncronous_io}

Una modalità alternativa all'uso dell'\textit{I/O multiplexing} è quella di
fare ricorso al cosiddetto \textsl{I/O asincrono}. Il concetto base
dell'\textsl{I/O asincrono} è che le funzioni di I/O non attendono il
completamento delle operazioni prima di ritornare, così che il processo non
viene bloccato.  In questo modo diventa ad esempio possibile effettuare una
richiesta preventiva di dati, in modo da poter effettuare in contemporanea le
operazioni di calcolo e quelle di I/O.

Abbiamo accennato in \secref{sec:file_open} che è possibile, attraverso l'uso
del flag \macro{O\_ASYNC},\footnote{l'uso del flag di \macro{O\_ASYNC} e dei
  comandi \macro{F\_SETOWN} e \macro{F\_GETOWN} per \func{fcntl} è specifico
  di Linux e BSD.} aprire un file in modalità asincrona, così come è possibile
attivare in un secondo tempo questa modalità settando questo flag attraverso
l'uso di \func{fcntl} con il comando \macro{F\_SETFL} (vedi
\secref{sec:file_fcntl}). 

In realtà in questo caso non si tratta di I/O asincrono vero e proprio, quanto
di un meccanismo asincrono di notifica delle variazione dello stato del file
descriptor; quello che succede è che il sistema genera un segnale (normalmente
\macro{SIGIO}, ma è possibile usarne altri) tutte le volte che diventa
possibile leggere o scrivere dal file descriptor che si è posto in questa
modalità. Si può inoltre selezionare, con il comando \macro{F\_SETOWN} di
\func{fcntl}, quale processo (o gruppo di processi) riceverà il segnale. 

In questo modo si può evitare l'uso delle funzioni \func{poll} o \func{select}
che, quando vengono usate con un numero molto grande di file descriptor, non
hanno buone prestazioni. In tal caso infatti la maggior parte del loro tempo
di esecuzione è impegnato ad eseguire una scansione su tutti i file descriptor
tenuti sotto controllo per determinare quali di essi (in genere una piccola
percentuale) sono diventati attivi.

Tuttavia con l'implementazione classica dei segnali questa modalità di I/O
presenta notevoli problemi, dato che non è possibile determinare, quando sono
più di uno, qual'è il file descriptor responsabile dell'emissione del segnale.
Linux però supporta le estensioni POSIX.1b dei segnali che permettono di
superare il problema facendo ricorso alle informazioni aggiuntive restituite
attraverso la struttura \type{siginfo\_t}, utilizzando la forma estesa
\var{sa\_sigaction} del manipolatore (si riveda quanto illustrato in
\secref{sec:sig_sigaction}).

Per far questo però occorre utilizzare le funzionalità dei segnali real-time
(vedi \secref{sec:sig_real_time}) settando esplicitamente con il comando
\macro{F\_SETSIG} di \func{fcntl} un segnale real-time da inviare in caso di
I/O asincrono (il segnale di default è \macro{SIGIO}). In questo caso il
manipolatore tutte le volte che riceverà \macro{SI\_SIGIO} come valore del
campo \var{si\_code}\footnote{il valore resta \macro{SI\_SIGIO} qualunque sia
  il segnale che si è associato all'I/O asincrono, ed indica appunto che il
  segnale è stato generato a causa di attività nell'I/O asincrono.} di
\type{siginfo\_t}, troverà nel campo \var{si\_fd} il valore del file
descriptor che ha generato il segnale.

Un secondo vantaggio dell'uso dei segnali real-time è che essendo dotati di
una coda di consegna ogni segnale sarà associato ad uno solo file descriptor;
inoltre sarà possibile stabilire delle priorità nella risposta a seconda del
segnale usato. In questo modo si può identificare immediatamente un file su
cui l'accesso è diventato possibile evitando completamente l'uso di funzioni
come \func{poll} e \func{select}, almeno fintanto che non si satura la coda;
si eccedono le dimensioni di quest'ultima; in tal caso infatti il kernel, non
potendo più assicurare il comportamento corretto per un segnale real-time,
invierà al suo posto un \var{SIGIO}, su cui si accumuleranno tutti i segnali
in eccesso, e si dovrà determinare al solito modo quali sono i file diventati
attivi.

Benché la modalità di apertura asincrona di un file possa risultare utile in
varie occasioni (in particolar modo con i socket e gli altri file per i quali
le funzioni di I/O sono system call lente), essa è comunque limitata alla
notifica della disponibilità del file descriptor per le operazioni di I/O, e
non ad uno svolgimento asincrono delle medesime.  Lo standard POSIX.1b
definisce anche una interfaccia apposita per l'I/O asincrono, che prevede un
insieme di funzioni dedicate, completamente separate rispetto a quelle usate
normalmente.

In generale questa interfaccia è completamente astratta e può essere
implementata sia direttamente nel kernel, che in user space attraverso l'uso
di thread. Al momento\footnote{fino ai kernel della serie 2.4.x, nella serie
  2.5.x è però iniziato un lavoro completo di riscrittura di tutto il sistema
  di I/O, che prevede anche l'introduzione di un nuovo layer per l'I/O
  asincrono.} esiste una sola versione stabile di questa interfaccia, quella
delle \acr{glibc}, che è realizzata completamente in user space.  Esistono
comunque vari progetti sperimentali (come il KAIO della SGI, o i patch di
Benjamin La Haise) che prevedono un supporto diretto da parte del kernel.

Lo standard prevede che tutte le operazioni di I/O asincrono siano controllate
attraverso l'uso di una apposita struttura \type{aiocb} (il cui nome sta per
\textit{asyncronous I/O control block}), che viene passata come argomento a
tutte le funzioni dell'interfaccia. La sua definizione, come effettuata in
\file{aio.h}, è riportata in \figref{fig:file_aiocb}. Nello steso file è
definita la macro \macro{\_POSIX\_ASYNCHRONOUS\_IO}, che dichiara la
disponibilità dell'interfaccia per l'I/O asincrono.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{15cm}
    \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
struct aiocb
{
    int aio_fildes;               /* File descriptor.  */
    off_t aio_offset;             /* File offset */
    int aio_lio_opcode;           /* Operation to be performed.  */
    int aio_reqprio;              /* Request priority offset.  */
    volatile void *aio_buf;       /* Location of buffer.  */
    size_t aio_nbytes;            /* Length of transfer.  */
    struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.  */
};
    \end{lstlisting}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \type{aiocb}, usata per il controllo dell'I/O
    asincrono.}
  \label{fig:file_aiocb}
\end{figure}

Le operazioni di I/O asincrono possono essere effettuate solo su un file già
aperto; il file deve inoltre supportare la funzione \func{lseek},
pertanto terminali e pipe sono esclusi. Non c'è limite al numero di operazioni
contemporanee effettuabili su un singolo file.

Ogni operazione deve inizializzare opportunamente un \textit{control block}.
Il file descriptor su cui operare deve essere specificato tramite il campo
\var{aio\_fildes}; dato che più operazioni possono essere eseguita in maniera
asincrona, il concetto di posizione corrente sul file viene a mancare;
pertanto si deve sempre specificare nel campo \var{aio\_offset} la posizione
sul file da cui i dati saranno letti o scritti.  Nel campo \var{aio\_buf} deve
essere specificato l'indirizzo del buffer usato per l'I/O, ed in
\var{aio\_nbytes} la lunghezza del blocco di dati da trasferire.

Il campo \var{aio\_reqprio} permette di settare la priorità delle operazioni
di I/O.\footnote{in generale perché ciò sia possibile occorre che la
  piattaforma supporti questa caratteristica, questo viene indicato definendo
  le macro \macro{\_POSIX\_PRIORITIZED\_IO}, e
  \macro{\_POSIX\_PRIORITY\_SCHEDULING}.} La priorità viene settata a partire
da quella del processo chiamante (vedi \secref{sec:proc_priority}), cui viene
sottratto il valore di questo campo.

Il campo \var{aio\_lio\_opcode} è usato soltanto dalla funzione
\func{lio\_listio}, che, come vedremo più avanti, permette di eseguire con una
sola chiamanta una serie di operazioni, usando un vettore di \textit{control
  block}. Tramite questo campo si specifica quale è la natura di ciascuna di
esse.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{15cm}
    \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
struct sigevent
{
    sigval_t sigev_value;
    int sigev_signo;
    int sigev_notify;
    sigev_notify_function;
    sigev_notify_attributes;
};
    \end{lstlisting}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \type{sigevent}, usata per specificare le modailtà di
    notifica degli eventi relativi alle operazioni di I/O asincrono.}
  \label{fig:file_sigevent}
\end{figure}

Infine il campo \var{aio\_sigevent} è una struttura di tipo \type{sigevent}
che serve a specificare il modo in cui si vuole che venga effettuata la
notifica del completamento delle operazioni richieste. La struttura è
riportata in \secref{fig:file_sigevent}; il campo \var{sigev\_notify} è quello
che indica le modalità della notifica, esso può assumere i tre valori:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}}
\item[\macro{SIGEV\_NONE}]   Non viene inviata nessuna notifica.
\item[\macro{SIGEV\_SIGNAL}] La notifica viene effettuata inviando al processo
  chiamante il segnale specificato nel campo \var{sigev\_signo}, se il
  manipolatore è installato con \macro{SA\_SIGINFO}, il gli verrà restituito
  il valore di \var{sigev\_value} in come valore del campo \var{si\_value} per
  \type{siginfo\_t}.
\item[\macro{SIGEV\_THREAD}] La notifica viene effettuata creando un nuovo
  thread che esegue la funzione specificata da \var{sigev\_notify\_function},
  con gli attributi specificati da \var{sigev\_notify\_attribute}.
\end{basedescript}

Le due funzioni base dell'interfaccia per l'I/O asincrono sono
\func{aio\_read} ed \func{aio\_write}.  Esse permettono di richiedere una
lettura od una scrittura asincrona di dati, usando la struttura \type{aiocb}
appena descritta; i rispettivi prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{aio.h}

  \funcdecl{int aio\_read(struct aiocb *aiocbp)}
  Richiede una lettura asincrona secondo quanto specificato con \param{aiocbp}.

  \funcdecl{int aio\_write(struct aiocb *aiocbp)}
  Richiede una scrittura asincrona secondo quanto specificato con
  \param{aiocbp}.
  
  \bodydesc{Le funzioni restituiscono 0 in caso di successo, e -1 in caso di
    errore, nel qual caso \var{errno} viene settata ai valori:
  \begin{errlist}
  \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato.
  \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
  \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato un valore non valido per i campi
    \var{aio\_offset} o \var{aio\_reqprio} di \param{aiocbp}.
  \item[\macro{EAGAIN}] La coda delle richieste è momentaneamente piena.
  \end{errlist}
}
\end{functions}

Entrambe le funzioni ritornano immediatamente dopo aver messo in coda la
richiesta, o in caso di errore. Non è detto che gli errori \macro{EBADF} ed
\macro{EINVAL} siano rilevati immediatamente al momento della chiamata,
potrebbero anche emergere nelle fasi successive delle operazioni. Lettura e
scrittura avvengono alla posizione indicata da \var{aio\_offset}, a meno che
il file non sia stato aperto in \textit{append mode} (vedi
\secref{sec:file_open}), nel qual caso le scritture vengono effettuate
comunque alla fine de file, nell'ordine delle chiamate a \func{aio\_write}.

Si tenga inoltre presente che deallocare la memoria indirizzata da
\param{aiocbp} o modificarne i valori prima della conclusione di una
operazione può dar luogo a risultati impredicibili, perché l'accesso ai vari
campi per eseguire l'operazione può avvenire in un momento qualsiasi dopo la
richiesta.  Questo comporta che occorre evitare di usare per \param{aiocbp}
variabili automatiche e che non si deve riutilizzare la stessa struttura per
un'ulteriore operazione fintanto che la precedente non sia stata ultimata. In
generale per ogni operazione di I/O asincrono si deve utilizzare una diversa
struttura \type{aiocb}.

Dato che si opera in modalità asincrona, il successo di \func{aio\_read} o
\func{aio\_write} non implica che le operazioni siano state effettivamente
eseguite in maniera corretta; per verificarne l'esito l'interfaccia prevede
altre due funzioni, che permettono di controllare lo stato di esecuzione. La
prima è \func{aio\_error}, che serve a determinare un eventuale stato di
errore; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{aio.h}
  {int aio\_error(const struct aiocb *aiocbp)}  

  Determina lo stato di errore delle operazioni di I/O associate a
  \param{aiocbp}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 se le operazioni si sono concluse con
    successo, altrimenti restituisce il codice di errore.}
% }, che viene salvato  
%     anche in \var{errno}, i valori possibili sono:
%   \begin{errlist}
%   \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
%   \item[\macro{EINPROGRESS}] L'operazione è ancora in corso.
%   \item[\macro{EINVAL}] Si è specificato un valore non valido per i campi
%     \var{aio\_offset} o \var{aio\_reqprio} di \param{aiocbp}.
%   \item[\macro{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato.
%   \end{errlist}
%   più tutti quelli possibili per le sottostanti operazioni, .}
\end{prototype}

Se l'operazione non si è ancora completata viene restituito l'errore di
\macro{EINPROGRESS}. La funzione ritorna zero quando l'operazione si è
conclusa con successo, altrimenti restituisce il codice dell'errore
verificatosi, ed esegue il corrispondente settaggio di \var{errno}. Il codice
può essere sia \macro{EINVAL} ed \macro{EBADF}, dovuti ad un valore errato per
\param{aiocbp}, che uno degli errori possibili durante l'esecuzione
dell'operazione di I/O richiesta, nel qual caso saranno restituiti, a seconda
del caso, i codici di errore delle system call \func{read}, \func{write} e
\func{fsync}.

Una volta che si sia certi che le operazioni siano state concluse (cioè dopo
che una chiamata ad \func{aio\_error} non ha restituito \macro{EINPROGRESS},
si potrà usare la seconda funzione dell'interfaccia, \func{aio\_return}, che
permette di verificare il completamento delle operazioni di I/O asincrono; il
suo prototipo è:
\begin{prototype}{aio.h}
{ssize\_t aio\_return(const struct aiocb *aiocbp)} 

Recupera il valore dello stato di ritorno delle operazioni di I/O associate a
\param{aiocbp}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce lo stato di uscita dell'operazione
  eseguita.}
\end{prototype}

La funzione deve essere chiamata una sola volte per ciascuna operazione
asincrona, essa infatti fa sì che il sistema rilasci le risorse ad essa
associate. É per questo motivo che occorre chiamare la funzione solo dopo che
l'operazione cui \param{aiocbp} fa riferimento si è completata. Una chiamata
precedente il completamento delle operazioni darebbe risultati indeterminati.

La funzione restituisce il valore di ritorno relativo all'operazione eseguita,
così come ricavato dalla sottostante system call (il numero di byte letti,
scritti o il valore di ritorno di \func{fsync}).  É importante chiamare sempre
questa funzione, altrimenti le risorse disponibili per le operazioni di I/O
asincrono non verrebbero liberate, rischiando di arrivare ad un loro
esaurimento.

Oltre alle operazioni di lettura e scrittura l'interfaccia POSIX.1b mette a
disposizione un'altra operazione, quella di sincronizzazione delll'I/O, essa è
compiuta dalla funzione \func{aio\_fsync}, che ha lo stesso effetto della
analoga \func{fsync}, ma viene esguita in maniera asincrona; il suo prototipo
è:
\begin{prototype}{aio.h}
{ssize\_t aio\_return(int op, struct aiocb *aiocbp)} 

Richiede la sincronizzazione dei dati per il file indicato da \param{aiocbp}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
  errore, che può essere, con le stesse modalità di \func{aio\_read},
  \macro{EAGAIN}, \macro{EBADF} o \macro{EINVAL}.}
\end{prototype}

La funzione richiede la sincronizzazione delle operazioni di I/O, ritornando
immediatamente. L'esecuzione effettiva della sincronizzazione dovrà essere
verificata con \func{aio\_error} e \func{aio\_return} come per le operazioni
di lettura e scrittura. L'argomento \param{op} permette di indicare la
modalità di esecuzione, se si specifica il valore \macro{O\_DSYNC} le
operazioni saranno completate con una chiamata a \func{fdatasync}, se si
specifica \macro{O\_SYNC} con una chiamata a \func{fsync} (per i dettagli vedi
\secref{sec:file_sync}).

Il successo della chiamata assicura la sincronizzazione delle operazioni fino
allora richieste, niente è garantito riguardo la sincronizzazione dei dati
relativi ad eventuali operazioni richieste successivamente. Se si è
specificato un meccanismo di notifica questo sarà innescato una volta che le
operazioni di sincronizzazione dei dati saranno completate.

In alcuni casi può essere necessario interrompere le operazioni (in genere
quando viene richiesta un'uscita immediata dal programam), per questo lo
standard POSIX.1b prevede una funzioni apposita, \func{aio\_cancel}, che
permette di cancellare una operazione richiesta in precedenza; il suo
prototipo è:
\begin{prototype}{aio.h}
{int aio\_cancel(int fildes, struct aiocb *aiocbp)} 

Richiede la cancellazione delle operazioni sul file \param{fildes} specificate
da \param{aiocbp}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce il risultato dell'operazione con un codice
  di positivo, e -1 in caso di errore, che avviene qualora si sia specificato
  un valore non valido di \param{fildes}, setta \var{errno} al valore
  \macro{EBADF}.}
\end{prototype}

La funzione permette di cancellare una operazione specifica sul file
\param{fildes}, o tutte le operazioni pendenti, specificando \macro{NULL} come
valore di \param{aiocbp}.  Quando una operazione viene cancellata una
successiva chiamata ad \func{aio\_error} riporterà \macro{ECANCELED} come
codice di errore, ed il suo codice di ritorno sarà -1, inoltre il meccanismo
di notifica non verrà invocato. Se si specifica una operazione relativa ad un
altro file descriptor il risultato è indeterminato.

In caso di successo, i possibili valori di ritorno per \func{aio\_cancel} sono
tre (anch'essi definiti in \file{aio.h}):
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}}
\item[\macro{AIO\_ALLDONE}] indica che le operazioni di cui si è richiesta la
  cancellazione sono state già completate,
  
\item[\macro{AIO\_CANCELED}] indica che tutte le operazioni richieste sono
  state cancellate,  
  
\item[\macro{AIO\_NOTCANCELED}] indica che alcune delle operazioni erano in
  corso e non sono state cancellate.
\end{basedescript}

Nel caso si abbia \macro{AIO\_NOTCANCELED} occorrerà chiamare
\func{aio\_error} per determinare quali sono le operazioni effettivamente
cancellate. Le operazioni che non sono state cancellate proseguiranno il loro
corso normale, compreso quanto richiesto riguardo al meccanismo di notifica
del loro avvenuto completamento.

Benché l'I/O asincrono preveda un meccanismo di notifica, l'interfaccia
fornisce anche una apposita funzione, \func{aio\_suspend}, che permette di
sospendere l'esecuzione del processo chiamante fino al completamento di una
specifica operazione; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{aio.h}
{int aio\_suspend(const struct aiocb * const list[], int nent, const struct
    timespec *timeout)}
  
  Attende, per un massimo di \param{timeout}, il completamento di una delle
  operazioni specificate da \param{list}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 se una (o più) operazioni sono state
    completate, e -1 in caso di errorem nel qual caso \var{errno} viene
    settata ai valori:
    \begin{errlist}
    \item[\macro{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro
      \param{timeout}.
    \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
    \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
    \end{errlist}
  }
\end{prototype}

La funzione permette di bloccare il processo fintanto che almeno una delle
\param{nent} operazioni specificate nella lista \param{list} è completata, per
un tempo massimo specificato da \param{timout}, o fintanto che non arrivi un
segnale.\footnote{si tenga conto che questo segnale può anche essere quello
  utilizzato come meccanismo di notifica.} La lista deve essere inizializzata
con delle strutture \var{aiocb} relative ad operazioni effettivamente
richieste, ma può contenere puntatori nulli, che saranno ignorati. In caso si
siano specificati valori non validi l'effetto è indefinito.  Un valore
\macro{NULL} per \param{timout} comporta l'assenza di timeout.

Lo standard POSIX.1b infine ha previsto pure una funzione, \func{lio\_listio},
che permette di effettuare la richiesta di una intera lista di operazioni di
lettura o scrittura; il suo prototipo è:
\begin{prototype}{aio.h}
  {int lio\_listio(int mode, struct aiocb * const list[], int nent, struct
    sigevent *sig)}
  
  Richiede l'esecuzione delle operazioni di I/O elencata da \param{list},
  secondo la modalità \param{mode}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di
    errorem nel qual caso \var{errno} viene settata ai valori:
    \begin{errlist}
    \item[\macro{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro
      \param{timeout}.
    \item[\macro{ENOSYS}] La funzione non è implementata.
    \item[\macro{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale.
    \end{errlist}
  }
\end{prototype}

La funzione esegue la richiesta delle \param{nent} operazioni indicate dalla
lista \param{list}; questa deve contenere gli indirizzi di altrettanti
\textit{control block}, opportunamente inizializzati; in particolare nel caso
dovrà essere specificato il tipo di operazione tramite il campo
\var{aio\_lio\_opcode}, che può prendere i tre valori:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\macro{LIO\_READ}]  si richiede una operazione di lettura.
\item[\macro{LIO\_WRITE}] si richiede una operazione di scrittura.
\item[\macro{LIO\_NOP}] non si effettua nessuna operazione.
\end{basedescript}
l'ultimo valore viene usato quando si ha a che fare con un vettore di
dimensione fissa, per poter specificare solo alcune operazioni, o quando si è
dovuto cancellare delle operazioni e si deve ripetere la richiesta per quelle
non completate.

L'argomento \param{mode} permette di stabilire il comportamento della
funzione, se viene specificato il valore \macro{LIO\_WAIT} la funzione si
blocca fino al completamento di tutte le operazioni richieste; se invece si
spercifica \macro{LIO\_NOWAIT} la funzione ritorna immediatamente dopo aver
messo in coda tutte le richieste. In questo caso il chiamante può richiedere
la notifica del completamento di tutte le richieste, settando l'argomento
\param{sig} in maniera analoga a come si fa per il campo \var{aio\_sigevent}
di \type{aiocb}.



\subsection{I/O vettorizzato}
\label{sec:file_multiple_io}

Un caso abbastanza comune è quello in cui ci si trova a dover eseguire una
serie multipla di operazioni di I/O, come una serie di letture o scritture di
vari buffer. Un esempio tipico è quando i dati sono strutturati nei campi di
una struttura ed essi devono essere caricati o salvati su un file.  Benché
l'operazione sia facilmente eseguibile attraverso una serie multipla di
chiamate, ci sono casi in cui si vuole poter contare sulla atomicità delle
operazioni.

Per questo motivo BSD 4.2\footnote{Le due funzioni sono riprese da BSD4.4 ed
  integrate anche dallo standard Unix 98; fino alle libc5 Linux usava
  \type{size\_t} come tipo dell'argomento \param{count}, una scelta logica,
  che è stata dismessa per restare aderenti allo standard.} ha introdotto due
nuove system call, \func{readv} e \func{writev}, che permettono di effettare
con una sola chiamata una lettura o una scrittura su una serie di buffer
(quello che viene chiamato \textsl{I/O vettorizzato}. I relativi prototipi
sono:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/uio.h}
  
  \funcdecl{int readv(int fd, const struct iovec *vector, int count)} Esegue
  una lettura vettorizzata da \param{fd} nei \param{count} buffer specificati
  da \param{vector}.
  
  \funcdecl{int writev(int fd, const struct iovec *vector, int count)} Esegue
  una scrittura vettorizzata da \param{fd} nei \param{count} buffer
  specificati da \param{vector}.
  
  \bodydesc{Le funzioni restituiscono il numero di byte letti o scritti in
    caso di successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} viene
    settata ai valori:
  \begin{errlist}
  \item[\macro{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato.
  \item[\macro{EINVAL}] si è specificato un valore non valido per uno degli
    argomenti (ad esempio \param{count} è maggiore di \macro{MAX\_IOVEC}).
  \item[\macro{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di
    di avere eseguito una qualunque lettura o scrittura.
  \item[\macro{EAGAIN}] \param{fd} è stato aperto in modalità non bloccante e
  non ci sono dati in lettura.
  \item[\macro{EOPNOTSUPP}] La coda delle richieste è momentaneamente piena.
  \end{errlist}
  ed inoltre \macro{EISDIR}, \macro{ENOMEM}, \macro{EFAULT} (se non sono stato
  allocati correttamente i buffer specificati nei campi \func{iov\_base}), più
  tutti gli ulteriori errori che potrebbero avere le usuali funzioni di
  lettura e scrittura eseguite su \param{fd}.}
\end{functions}

Entrambe le funzioni usano una struttura \type{iovec}, definita in
\figref{fig:file_iovec}, che definisce dove i dati devono essere letti o
scritti. Il primo campo, \var{iov\_base}, contiene l'indirizzo del buffer ed
il secondo, \var{iov\_len}, la dimensione dello stesso. 

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{15cm}
    \begin{lstlisting}[labelstep=0]{}%,frame=,indent=1cm]{}
struct iovec {
    __ptr_t iov_base;    /* Starting address */
    size_t iov_len;      /* Length in bytes  */
};
    \end{lstlisting}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \type{iovec}, usata dalle operazioni di I/O
    vettorizzato.} 
  \label{fig:file_iovec}
\end{figure}

I buffer da utlizzare sono specificati attraverso l'argomento \var{vector} che
è un array di tale strutture, la cui lunghezza è specificata da \param{count}.
Essi verranno letti (o scritti) nell'ordine in cui li si sono specificati.



\subsection{File mappati in memoria}
\label{sec:file_memory_map}

Una modalità alternativa di I/O, che usa una interfaccia completamente diversa
rispetto a quella classica, è quella dei file \textsl{mappati in memoria}. In
sostanza quello che si fa è usare il meccanismo della
\textsl{paginazione}\index{paginazione} usato per la memoria virtuale (vedi
\secref{sec:proc_mem_gen}) vedere il file in una sezione dello spazio di
indirizzi del processo, in modo che l'accesso a quest'ultimo avvenga con le
normali operazioni di lettura e scrittura delle variabili in memoria.

Questa interfaccia è più efficiente dell'uso delle usuali funzioni di I/O, in
quanto permette di caricare in memoria solo le parti del file che sono
effettivamente usate ad un dato istante. Infatti, dato che l'accesso è fatto
direttamente attraverso la memoria virtuale, non è necessario trasferire in un
buffer tutti i dati che potrebbero servire, e poi riscrivere il tutto una
volta completate le operazioni, la scrittura e la lettura avverranno invece
direttamente sulla sezione di memoria mappata, che sarà a sua volta letta o
scritta sul file, una pagina alla volta (e solo per le parti effettivamente
usate) in maniera trasparente attraverso il meccanismo della paginazione.
L'acceso alle pagine non ancora caricate avverrà allo stesso modo con cui
vengono caricate in memoria le pagine che sono state salvate sullo swap.

Inoltre in situazioni in cui la memoria è scarsa, le pagine che mappano un
file vengono salvate automaticamente, così come le pagine dei programmi
vengono scritte sulla swap; questo consente di accedere ai file su dimensioni
il cui solo limite è quello dello spazio di indirizzi disponibile, 




\section{Il file locking}
\label{sec:file_locking}

In \secref{sec:file_sharing} abbiamo preso in esame le modalità in cui un
sistema unix-like gestisce la condivisione dei file da parte di processi
diversi. In quell'occasione si è visto come, con l'eccezione dei file aperti
in \textit{append mode}, quando più processi scrivono contemporaneamente sullo
stesso file non è possibile determinare la sequenza in cui essi opereranno.

Questo causa la possibilità di race condition\index{race condition}; in
generale le situazioni più comuni sono due: l'interazione fra un processo che
scrive e altri che leggono, in cui questi ultimi possono leggere informazioni
scritte solo in maniera parziale o incompleta; o quella in cui diversi
processi scrivono, mescolando in maniera imprevedibile il loro output sul
file.

In tutti questi casi il \textit{file locking} è la tecnica che permette di
evitare le race condition, attraverso una serie di funzioni che permettono di
bloccare l'accesso al file da parte di altri processi, così da evitare le
sovrapposizioni, e garantire la atomicità delle operazioni di scrittura.


\subsection{L'\textit{advisory locking}}
\label{sec:file_record_locking}

La prima modalità di file locking che è stata implementata nei sistemi
unix-like è quella che viene usualmente chiamata \textit{advisory locking}, in
quanto è il processo, e non il sistema, che si incarica di verificare se
esiste una condizione di blocco per l'accesso ai file.




\subsection{Il \textit{mandatory locking}}
\label{sec:file_mand_locking}

Il \textit{mandatory locking} è una opzione introdotta inizialmente in SVr4, 






%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: 
