X-Git-Url: https://gapil.gnulinux.it/gitweb/?p=gapil.git;a=blobdiff_plain;f=fileadv.tex;h=7c3734c3da82a21225f1522445187fa28be20b07;hp=ce328748c716953330fa39a6385250fd58066c41;hb=376c897446e3a3c24c3f45df9d6c320f3eef2e09;hpb=6b41b67f440246432014cb846a8a3d6b718f3074 diff --git a/fileadv.tex b/fileadv.tex index ce32874..7c3734c 100644 --- a/fileadv.tex +++ b/fileadv.tex @@ -1,9 +1,9 @@ %% fileadv.tex %% -%% Copyright (C) 2000-2003 Simone Piccardi. Permission is granted to +%% Copyright (C) 2000-2009 Simone Piccardi. Permission is granted to %% copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free %% Documentation License, Version 1.1 or any later version published by the -%% Free Software Foundation; with the Invariant Sections being "Prefazione", +%% Free Software Foundation; with the Invariant Sections being "Un preambolo", %% with no Front-Cover Texts, and with no Back-Cover Texts. A copy of the %% license is included in the section entitled "GNU Free Documentation %% License". @@ -12,456 +12,2711 @@ \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}. +dei file. Inizieremo con la trattazione delle problematiche del \textit{file + locking} e poi prenderemo in esame le varie funzionalità avanzate che +permettono una gestione più sofisticata dell'I/O su file, a partire da quelle +che consentono di gestire l'accesso contemporaneo a più file esaminando le +varie modalità alternative di gestire l'I/O per concludere con la gestione dei +file mappati in memoria e le altre funzioni avanzate che consentono un +controllo più dettagliato delle modalità di I/O. -\section{Le funzioni di I/O avanzato} -\label{sec:file_advanced_io} +\section{Il \textit{file locking}} +\label{sec:file_locking} -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. +\index{file!locking|(} +In sez.~\ref{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 \itindex{append~mode} \textit{append mode}, quando più processi scrivono +contemporaneamente sullo stesso file non è possibile determinare la sequenza +in cui essi opereranno. -\subsection{La modalità di I/O \textsl{non-bloccante}} -\label{sec:file_noblocking} +Questo causa la possibilità di una \itindex{race~condition} \textit{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. -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\index{socket} ed alcuni file di - dispositivo\index{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. +In tutti questi casi il \textit{file locking} è la tecnica che permette di +evitare le \itindex{race~condition} \textit{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 lettura o scrittura. -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 -\textit{deadlock}\index{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 \const{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 \errcode{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}\index{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}\index{polling} per -controllare la possibilità di effettuare operazioni su un gruppo di file -aperti in modalità non bloccante, sia BSD che System V hanno introdotto delle -nuove funzioni in grado di sospendere l'esecuzione di un processo fin quando -l'accesso ad un dato insieme di file 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}\index{socket}, compreso le varianti di System - V.} con la funzione \funcd{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} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno - degli insiemi. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale. - \item[\errcode{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo. - \end{errlist} - ed inoltre \errval{ENOMEM}. -} -\end{functions} +\subsection{L'\textit{advisory locking}} +\label{sec:file_record_locking} -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}. +La prima modalità di \textit{file locking} che è stata implementata nei +sistemi unix-like è quella che viene usualmente chiamata \textit{advisory + locking},\footnote{Stevens in \cite{APUE} fa riferimento a questo argomento + come al \textit{record locking}, dizione utilizzata anche dal manuale delle + \acr{glibc}; nelle pagine di manuale si parla di \textit{discrectionary file + lock} per \func{fcntl} e di \textit{advisory locking} per \func{flock}, + mentre questo nome viene usato da Stevens per riferirsi al \textit{file + locking} POSIX. Dato che la dizione \textit{record locking} è quantomeno + ambigua, in quanto in un sistema Unix non esiste niente che possa fare + riferimento al concetto di \textit{record}, alla fine si è scelto di + mantenere il nome \textit{advisory locking}.} in quanto sono i singoli +processi, e non il sistema, che si incaricano di asserire e verificare se +esistono delle condizioni di blocco per l'accesso ai file. -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). +Questo significa che le funzioni \func{read} o \func{write} vengono eseguite +comunque e non risentono affatto della presenza di un eventuale \textit{lock}; +pertanto è sempre compito dei vari processi che intendono usare il +\textit{file locking}, controllare esplicitamente lo stato dei file condivisi +prima di accedervi, utilizzando le relative funzioni. - \funcdecl{FD\_SET(int fd, fd\_set *set)} - Inserisce il file descriptor \param{fd} nell'insieme. +In generale si distinguono due tipologie di \textit{file lock};\footnote{di + seguito ci riferiremo sempre ai blocchi di accesso ai file con la + nomenclatura inglese di \textit{file lock}, o più brevemente con + \textit{lock}, per evitare confusioni linguistiche con il blocco di un + processo (cioè la condizione in cui il processo viene posto in stato di + \textit{sleep}).} la prima è il cosiddetto \textit{shared lock}, detto anche +\textit{read lock} in quanto serve a bloccare l'accesso in scrittura su un +file affinché il suo contenuto non venga modificato mentre lo si legge. Si +parla appunto di \textsl{blocco condiviso} in quanto più processi possono +richiedere contemporaneamente uno \textit{shared lock} su un file per +proteggere il loro accesso in lettura. - \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} +La seconda tipologia è il cosiddetto \textit{exclusive lock}, detto anche +\textit{write lock} in quanto serve a bloccare l'accesso su un file (sia in +lettura che in scrittura) da parte di altri processi mentre lo si sta +scrivendo. Si parla di \textsl{blocco esclusivo} appunto perché un solo +processo alla volta può richiedere un \textit{exclusive lock} su un file per +proteggere il suo accesso in scrittura. -In genere un \textit{file descriptor set} può contenere fino ad un massimo di -\const{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 da -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}.\footnote{il suo valore, secondo lo standard POSIX - 1003.1-2001, è definito in \file{sys/select.h}, ed è pari a 1024.} Si tenga -presente che i \textit{file descriptor set} devono sempre essere inizializzati -con \macro{FD\_ZERO}; passare a \func{select} un valore non inizializzato può -dar luogo a comportamenti non prevedibili. +In Linux sono disponibili due interfacce per utilizzare l'\textit{advisory + locking}, la prima è quella derivata da BSD, che è basata sulla funzione +\func{flock}, la seconda è quella standardizzata da POSIX.1 (derivata da +System V), che è basata sulla funzione \func{fcntl}. I \textit{file lock} +sono implementati in maniera completamente indipendente nelle due +interfacce,\footnote{in realtà con Linux questo avviene solo dalla serie 2.0 + dei kernel.} che pertanto possono coesistere senza interferenze. -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}). +Entrambe le interfacce prevedono la stessa procedura di funzionamento: si +inizia sempre con il richiedere l'opportuno \textit{file lock} (un +\textit{exclusive lock} per una scrittura, uno \textit{shared lock} per una +lettura) prima di eseguire l'accesso ad un file. Se il blocco viene acquisito +il processo prosegue l'esecuzione, altrimenti (a meno di non aver richiesto un +comportamento non bloccante) viene posto in stato di sleep. Una volta finite +le operazioni sul file si deve provvedere a rimuovere il blocco. La situazione +delle varie possibilità è riassunta in tab.~\ref{tab:file_file_lock}, dove si +sono riportati, per le varie tipologie di blocco presenti su un file, il +risultato che si ha in corrispondenza alle due tipologie di \textit{file lock} +menzionate, nel successo della richiesta. -Dato che in genere non si tengono mai sotto controllo fino a -\const{FD\_SETSIZE} file contemporaneamente la funzione richiede di -specificare qual'è il numero massimo dei file descriptor indicati nei tre -insiemi precedenti. Questo viene fatto per efficienza, per evitare di passare -e far controllare al kernel una quantità di memoria superiore a quella -necessaria. Questo limite viene indicato tramite l'argomento \param{n}, che -deve corrispondere al valore massimo aumentato di uno.\footnote{i file - descriptor infatti sono contati a partire da zero, ed il valore indica il - numero di quelli da tenere sotto controllo; dimenticarsi di aumentare di uno - il valore di \param{n} è un errore comune.} - -Infine l'argomento \param{timeout}, specifica un tempo massimo di attesa prima -che la funzione ritorni; se impostato a \val{NULL} la funzione attende -indefinitamente. Si può specificare anche un tempo nullo (cioè una struttura -\struct{timeval} con i campi impostati a zero), qualora si voglia -semplicemente controllare lo stato corrente dei file descriptor. +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|c|c|c|} + \hline + \textbf{Richiesta} & \multicolumn{3}{|c|}{\textbf{Stato del file}}\\ + \cline{2-4} + &Nessun \textit{lock}&\textit{Read lock}&\textit{Write lock}\\ + \hline + \hline + \textit{Read lock} & SI & SI & NO \\ + \textit{Write lock}& SI & NO & NO \\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Tipologie di \textit{file locking}.} + \label{tab:file_file_lock} +\end{table} -La funzione restituisce il numero di file descriptor pronti,\footnote{questo è - il comportamento previsto dallo standard, ma la standardizzazione della - funzione è recente, ed esistono ancora alcune versioni di Unix che non si - comportano in questo modo.} e ciascun insieme viene sovrascritto per -indicare i file descriptor pronti per le operazioni ad esso relative, in modo -da poterli controllare con \const{FD\_ISSET}. Se invece si ha un timeout -viene restituito un valore nullo e gli insiemi non vengono modificati. In -caso di errore la funzione restituisce -1, ed i valori dei tre insiemi sono -indefiniti e non si può fare nessun affidamento sul loro contenuto. +Si tenga presente infine che il controllo di accesso e la gestione dei +permessi viene effettuata quando si apre un file, l'unico controllo residuo +che si può avere riguardo il \textit{file locking} è che il tipo di blocco che +si vuole ottenere su un file deve essere compatibile con le modalità di +apertura dello stesso (in lettura per un \textit{read lock} e in scrittura per +un \textit{write lock}). -In Linux \func{select} modifica anche il valore di \param{timeout}, -impostandolo al tempo restante in caso di interruzione prematura; questo è -utile quando la funzione viene interrotta da un segnale, in tal caso infatti -si ha un errore di \errcode{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.} +%% Si ricordi che +%% la condizione per acquisire uno \textit{shared lock} è che il file non abbia +%% già un \textit{exclusive lock} attivo, mentre per acquisire un +%% \textit{exclusive lock} non deve essere presente nessun tipo di blocco. -Uno dei problemi che si presentano con l'uso di \func{select} è che il suo -comportamento dipende dal valore del file descriptor che si vuole tenere sotto -controllo. Infatti il kernel riceve solo un valore massimo, e dovrà -effettuare una scansione su tutto l'intervallo, che può essere anche molto -ampio, per capire quali sono i file descriptor da tenere sotto controllo, -anche se sono solo poche unità; e questo ha ovviamente un pessimo risultato -per le prestazioni; il comportamenento viene della funzione viene così a -dipendere in maniera innaturale dal valore del file decriptor. -Inoltre c'è anche il problema che il numero massimo dei file che si possono -tenere sotto controllo, la funzione è nata quando il kernel consentiva un -numero massimo di 1024 file descriptor per processo, adesso che il numero può -essere arbitario si viene a creare una dipendenza del tutto artificiale dalle -dimensioni della struttura \type{fd\_set}, che può necessitare di essere -estesa, con ulteriori perdite di prestazioni. -Per questo System V, invece di utilizzare l'interfaccia di \func{select}, che -è una estensione creata nello sviluppo di BSD, ha introdotto una sua -interfaccia per gestire l'\textit{I/O multiplexing}, basata sulla funzione -\funcd{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)} +\subsection{La funzione \func{flock}} +\label{sec:file_flock} + +La prima interfaccia per il \textit{file locking}, quella derivata da BSD, +permette di eseguire un blocco solo su un intero file; la funzione usata per +richiedere e rimuovere un \textit{file lock} è \funcd{flock}, ed il suo +prototipo è: +\begin{prototype}{sys/file.h}{int flock(int fd, int operation)} - La funzione attende un cambiamento di stato per uno dei file descriptor - specificati da \param{ufds}. + Applica o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. -\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} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno - degli insiemi. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale. - \end{errlist} - ed inoltre \errval{EFAULT} e \errval{ENOMEM}.} + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EWOULDBLOCK}] il file ha già un blocco attivo, e si è + specificato \const{LOCK\_NB}. + \end{errlist} + } \end{prototype} -La funzione tiene sotto controllo un numero \param{ndfs} di file descriptor -specificati attraverso un vettore di puntatori a strutture \struct{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} - \includestruct{listati/pollfd.h} - \end{minipage} - \normalsize - \caption{La struttura \structd{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 \struct{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). +La funzione può essere usata per acquisire o rilasciare un \textit{file lock} +a seconda di quanto specificato tramite il valore dell'argomento +\param{operation}; questo viene interpretato come maschera binaria, e deve +essere passato costruendo il valore con un OR aritmetico delle costanti +riportate in tab.~\ref{tab:file_flock_operation}. \begin{table}[htb] \centering \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|c|l|} - \hline - \textbf{Flag} & \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \begin{tabular}[c]{|l|p{6cm}|} \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ \hline - \const{POLLIN} & 0x001 & È possibile la lettura immediata.\\ - \const{POLLPRI} & 0x002 & Sono presenti dati urgenti.\\ - \const{POLLOUT} & 0x004 & È possibile la scrittura immediata.\\ - \hline - \const{POLLERR} & 0x008 & C'è una condizione di errore.\\ - \const{POLLHUP} & 0x010 & Si è verificato un hung-up.\\ - \const{POLLNVAL} & 0x020 & Il file descriptor non è aperto.\\ \hline - \const{POLLRDNORM}& 0x040 & Sono disponibili in lettura dati normali.\\ - \const{POLLRDBAND}& 0x080 & Sono disponibili in lettura dati ad alta - priorità. \\ - \const{POLLWRNORM}& 0x100 & È possibile la scrittura di dati normali. \\ - \const{POLLWRBAND}& 0x200 & È possibile la scrittura di dati ad - alta priorità. \\ - \const{POLLMSG} & 0x400 & Un segnale \const{SIGPOLL} è arrivato alla - cima dello stream.\\ + \const{LOCK\_SH} & Richiede uno \textit{shared lock} sul file.\\ + \const{LOCK\_EX} & Richiede un \textit{esclusive lock} sul file.\\ + \const{LOCK\_UN} & Rilascia il \textit{file lock}.\\ + \const{LOCK\_NB} & Impedisce che la funzione si blocchi nella + richiesta di un \textit{file lock}.\\ \hline \end{tabular} - \caption{Costanti per l'identificazione dei vari bit dei campi - \var{events} e \var{revents} di \struct{pollfd}.} - \label{tab:file_pollfd_flags} + \caption{Valori dell'argomento \param{operation} di \func{flock}.} + \label{tab:file_flock_operation} \end{table} -La funzione ritorna, restituendo il numero di file per i quali si è verificata -una delle condizioni di attesa richieste od un errore. Lo stato dei file -all'uscita della funzione viene restituito nel campo \var{revents} della -relativa struttura \struct{pollfd}, che viene impostato 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}, introdotto solo 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 -\funcd{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} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato in uno - degli insiemi. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale. - \item[\errcode{EINVAL}] Si è specificato per \param{n} un valore negativo. - \end{errlist} - ed inoltre \errval{ENOMEM}.} -\end{prototype} - -La funzione è sostanzialmente identica a \func{select}, solo che usa una -struttura \struct{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\index{race condition} resta.} quando si -deve eseguire un test su una variabile assegnata da un gestore 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\index{race condition} -diventa superabile disabilitando il segnale prima del test e riabilitandolo -poi grazie all'uso di \param{sigmask}. - -Dato che l'I/O multiplexing serve a risolvere il problema di dover attendere -la disponibilità di accesso ad un insieme di file, esso viene utilizzato -prevalentemente per programmi in cui l'accesso ad un file descriptor può -essere bloccante. Abbiamo già accennato come questo non avvenga mai per i -normali file su disco; l'uso più comune di queste funzioni infatti è nei -server di rete, in cui esse vengono utilizzate per tenere sotto controllo vari -socket; pertanto ritorneremo su di esse con maggiori dettagli e con qualche -esempio in \secref{sec:TCP_sock_multiplexing}. - - - -\subsection{L'I/O asincrono} -\label{sec:file_asyncronous_io} +I primi due valori, \const{LOCK\_SH} e \const{LOCK\_EX} permettono di +richiedere un \textit{file lock}, ed ovviamente devono essere usati in maniera +alternativa. Se si specifica anche \const{LOCK\_NB} la funzione non si +bloccherà qualora il \textit{file lock} non possa essere acquisito, ma +ritornerà subito con un errore di \errcode{EWOULDBLOCK}. Per rilasciare un +\textit{file lock} si dovrà invece usare \const{LOCK\_UN}. + +Si tenga presente che non esite una modalità per eseguire atomicamente un +cambiamento del tipo di blocco (da \textit{shared lock} a \textit{esclusive + lock}), il blocco deve essere prima rilasciato e poi richiesto, ed è sempre +possibile che nel frattempo abbia successo un'altra richiesta pendente, +facendo fallire la riacquisizione. + +Si tenga presente infine che \func{flock} non è supportata per i file +mantenuti su NFS, in questo caso, se si ha la necessità di utilizzare il +\textit{file locking}, occorre usare l'interfaccia del \textit{file locking} +POSIX basata su \func{fcntl} che è in grado di funzionare anche attraverso +NFS, a condizione ovviamente che sia il client che il server supportino questa +funzionalità. + +La semantica del \textit{file locking} di BSD inoltre è diversa da quella del +\textit{file locking} POSIX, in particolare per quanto riguarda il +comportamento dei \textit{file lock} nei confronti delle due funzioni +\func{dup} e \func{fork}. Per capire queste differenze occorre descrivere con +maggiore dettaglio come viene realizzato dal kernel il \textit{file locking} +per entrambe le interfacce. + +In fig.~\ref{fig:file_flock_struct} si è riportato uno schema essenziale +dell'implementazione del \textit{file locking} in stile BSD su Linux. Il punto +fondamentale da capire è che un \textit{file lock}, qualunque sia +l'interfaccia che si usa, anche se richiesto attraverso un file descriptor, +agisce sempre su un file; perciò le informazioni relative agli eventuali +\textit{file lock} sono mantenute a livello di inode\index{inode},\footnote{in + particolare, come accennato in fig.~\ref{fig:file_flock_struct}, i + \textit{file lock} sono mantenuti in una \itindex{linked~list} + \textit{linked list} di strutture \struct{file\_lock}. La lista è + referenziata dall'indirizzo di partenza mantenuto dal campo \var{i\_flock} + della struttura \struct{inode} (per le definizioni esatte si faccia + riferimento al file \file{fs.h} nei sorgenti del kernel). Un bit del campo + \var{fl\_flags} di specifica se si tratta di un lock in semantica BSD + (\const{FL\_FLOCK}) o POSIX (\const{FL\_POSIX}).} dato che questo è l'unico +riferimento in comune che possono avere due processi diversi che aprono lo +stesso file. -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 \const{O\_ASYNC},\footnote{l'uso del flag di \const{O\_ASYNC} e dei - comandi \const{F\_SETOWN} e \const{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 impostando questo flag attraverso -l'uso di \func{fcntl} con il comando \const{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 -\const{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 \const{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. +\begin{figure}[htb] + \centering + \includegraphics[width=15cm]{img/file_flock} + \caption{Schema dell'architettura del \textit{file locking}, nel caso + particolare del suo utilizzo da parte dalla funzione \func{flock}.} + \label{fig:file_flock_struct} +\end{figure} -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 \struct{siginfo\_t}, utilizzando la forma estesa -\var{sa\_sigaction} del gestore (si riveda quanto illustrato in -\secref{sec:sig_sigaction}). +La richiesta di un \textit{file lock} prevede una scansione della lista per +determinare se l'acquisizione è possibile, ed in caso positivo l'aggiunta di +un nuovo elemento.\footnote{cioè una nuova struttura \struct{file\_lock}.} +Nel caso dei blocchi creati con \func{flock} la semantica della funzione +prevede che sia \func{dup} che \func{fork} non creino ulteriori istanze di un +\textit{file lock} quanto piuttosto degli ulteriori riferimenti allo +stesso. Questo viene realizzato dal kernel secondo lo schema di +fig.~\ref{fig:file_flock_struct}, associando ad ogni nuovo \textit{file lock} +un puntatore\footnote{il puntatore è mantenuto nel campo \var{fl\_file} di + \struct{file\_lock}, e viene utilizzato solo per i \textit{file lock} creati + con la semantica BSD.} alla voce nella \itindex{file~table} \textit{file + table} da cui si è richiesto il blocco, che così ne identifica il titolare. + +Questa struttura prevede che, quando si richiede la rimozione di un +\textit{file lock}, il kernel acconsenta solo se la richiesta proviene da un +file descriptor che fa riferimento ad una voce nella \itindex{file~table} +\textit{file table} corrispondente a quella registrata nel blocco. Allora se +ricordiamo quanto visto in sez.~\ref{sec:file_dup} e +sez.~\ref{sec:file_sharing}, e cioè che i file descriptor duplicati e quelli +ereditati in un processo figlio puntano sempre alla stessa voce nella +\itindex{file~table} \textit{file table}, si può capire immediatamente quali +sono le conseguenze nei confronti delle funzioni \func{dup} e \func{fork}. + +Sarà così possibile rimuovere un \textit{file lock} attraverso uno qualunque +dei file descriptor che fanno riferimento alla stessa voce nella +\itindex{file~table} \textit{file table}, anche se questo è diverso da quello +con cui lo si è creato,\footnote{attenzione, questo non vale se il file + descriptor fa riferimento allo stesso file, ma attraverso una voce diversa + della \itindex{file~table} \textit{file table}, come accade tutte le volte + che si apre più volte lo stesso file.} o se si esegue la rimozione in un +processo figlio; inoltre una volta tolto un \textit{file lock}, la rimozione +avrà effetto su tutti i file descriptor che condividono la stessa voce nella +\itindex{file~table} \textit{file table}, e quindi, nel caso di file +descriptor ereditati attraverso una \func{fork}, anche su processi diversi. -Per far questo però occorre utilizzare le funzionalità dei segnali real-time -(vedi \secref{sec:sig_real_time}) impostando esplicitamente con il comando -\const{F\_SETSIG} di \func{fcntl} un segnale real-time da inviare in caso di -I/O asincrono (il segnale predefinito è \const{SIGIO}). In questo caso il -gestore tutte le volte che riceverà \const{SI\_SIGIO} come valore del -campo \var{si\_code}\footnote{il valore resta \const{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 -\struct{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 \const{SIGIO}, su cui si accumuleranno tutti i segnali -in eccesso, e si dovrà determinare al solito modo quali sono i file diventati -attivi. +Infine, per evitare che la terminazione imprevista di un processo lasci attivi +dei \textit{file lock}, quando un file viene chiuso il kernel provvede anche a +rimuovere tutti i blocchi ad esso associati. Anche in questo caso occorre +tenere presente cosa succede quando si hanno file descriptor duplicati; in tal +caso infatti il file non verrà effettivamente chiuso (ed il blocco rimosso) +fintanto che non viene rilasciata la relativa voce nella \itindex{file~table} +\textit{file table}; e questo avverrà solo quando tutti i file descriptor che +fanno riferimento alla stessa voce sono stati chiusi. Quindi, nel caso ci +siano duplicati o processi figli che mantengono ancora aperto un file +descriptor, il \textit{file lock} non viene rilasciato. + -Benché la modalità di apertura asincrona di un file possa risultare utile in -varie occasioni (in particolar modo con i socket\index{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. +\subsection{Il \textit{file locking} POSIX} +\label{sec:file_posix_lock} -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 esiste una sola versione stabile di questa interfaccia, -quella delle \acr{glibc}, che è realizzata completamente in user space, ed -accessibile linkando i programmi con la libreria \file{librt}. Nei kernel -della nuova serie è stato anche introdotta (a partire dal 2.5.32) un nuovo -layer per l'I/O asincrono. +La seconda interfaccia per l'\textit{advisory locking} disponibile in Linux è +quella standardizzata da POSIX, basata sulla funzione \func{fcntl}. Abbiamo +già trattato questa funzione nelle sue molteplici possibilità di utilizzo in +sez.~\ref{sec:file_fcntl}. Quando la si impiega per il \textit{file locking} +essa viene usata solo secondo il seguente prototipo: +\begin{prototype}{fcntl.h}{int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock)} + + Applica o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EACCES}] l'operazione è proibita per la presenza di + \textit{file lock} da parte di altri processi. + \item[\errcode{ENOLCK}] il sistema non ha le risorse per il blocco: ci + sono troppi segmenti di \textit{lock} aperti, si è esaurita la tabella + dei \textit{file lock}, o il protocollo per il blocco remoto è fallito. + \item[\errcode{EDEADLK}] si è richiesto un \textit{lock} su una regione + bloccata da un altro processo che è a sua volta in attesa dello sblocco + di un \textit{lock} mantenuto dal processo corrente; si avrebbe pertanto + un \itindex{deadlock} \textit{deadlock}. Non è garantito che il sistema + riconosca sempre questa situazione. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima + di poter acquisire un \textit{file lock}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EFAULT}. + } +\end{prototype} -Lo standard prevede che tutte le operazioni di I/O asincrono siano controllate -attraverso l'uso di una apposita struttura \struct{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. +Al contrario di quanto avviene con l'interfaccia basata su \func{flock} con +\func{fcntl} è possibile bloccare anche delle singole sezioni di un file, fino +al singolo byte. Inoltre la funzione permette di ottenere alcune informazioni +relative agli eventuali blocchi preesistenti. Per poter fare tutto questo la +funzione utilizza come terzo argomento una apposita struttura \struct{flock} +(la cui definizione è riportata in fig.~\ref{fig:struct_flock}) nella quale +inserire tutti i dati relativi ad un determinato blocco. Si tenga presente poi +che un \textit{file lock} fa sempre riferimento ad una regione, per cui si +potrà avere un conflitto anche se c'è soltanto una sovrapposizione parziale +con un'altra regione bloccata. -\begin{figure}[!htb] +\begin{figure}[!bht] \footnotesize \centering \begin{minipage}[c]{15cm} - \includestruct{listati/aiocb.h} + \includestruct{listati/flock.h} \end{minipage} \normalsize - \caption{La struttura \structd{aiocb}, usata per il controllo dell'I/O - asincrono.} - \label{fig:file_aiocb} + \caption{La struttura \structd{flock}, usata da \func{fcntl} per il + \textit{file locking}.} + \label{fig:struct_flock} \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 + +I primi tre campi della struttura, \var{l\_whence}, \var{l\_start} e +\var{l\_len}, servono a specificare la sezione del file a cui fa riferimento +il blocco: \var{l\_start} specifica il byte di partenza, \var{l\_len} la +lunghezza della sezione e infine \var{l\_whence} imposta il riferimento da cui +contare \var{l\_start}. Il valore di \var{l\_whence} segue la stessa semantica +dell'omonimo argomento di \func{lseek}, coi tre possibili valori +\const{SEEK\_SET}, \const{SEEK\_CUR} e \const{SEEK\_END}, (si vedano le +relative descrizioni in sez.~\ref{sec:file_lseek}). + +Si tenga presente che un \textit{file lock} può essere richiesto anche per una +regione al di là della corrente fine del file, così che una eventuale +estensione dello stesso resti coperta dal blocco. Inoltre se si specifica un +valore nullo per \var{l\_len} il blocco si considera esteso fino alla +dimensione massima del file; in questo modo è possibile bloccare una qualunque +regione a partire da un certo punto fino alla fine del file, coprendo +automaticamente quanto eventualmente aggiunto in coda allo stesso. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|l|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{F\_RDLCK} & Richiede un blocco condiviso (\textit{read lock}).\\ + \const{F\_WRLCK} & Richiede un blocco esclusivo (\textit{write lock}).\\ + \const{F\_UNLCK} & Richiede l'eliminazione di un \textit{file lock}.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Valori possibili per il campo \var{l\_type} di \struct{flock}.} + \label{tab:file_flock_type} +\end{table} + +Il tipo di \textit{file lock} richiesto viene specificato dal campo +\var{l\_type}, esso può assumere i tre valori definiti dalle costanti +riportate in tab.~\ref{tab:file_flock_type}, che permettono di richiedere +rispettivamente uno \textit{shared lock}, un \textit{esclusive lock}, e la +rimozione di un blocco precedentemente acquisito. Infine il campo \var{l\_pid} +viene usato solo in caso di lettura, quando si chiama \func{fcntl} con +\const{F\_GETLK}, e riporta il \acr{pid} del processo che detiene il +\textit{file lock}. + +Oltre a quanto richiesto tramite i campi di \struct{flock}, l'operazione +effettivamente svolta dalla funzione è stabilita dal valore dall'argomento +\param{cmd} che, come già riportato in sez.~\ref{sec:file_fcntl}, specifica +l'azione da compiere; i valori relativi al \textit{file locking} sono tre: +\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}} +\item[\const{F\_GETLK}] verifica se il \textit{file lock} specificato dalla + struttura puntata da \param{lock} può essere acquisito: in caso negativo + sovrascrive la struttura \param{flock} con i valori relativi al blocco già + esistente che ne blocca l'acquisizione, altrimenti si limita a impostarne il + campo \var{l\_type} con il valore \const{F\_UNLCK}. +\item[\const{F\_SETLK}] se il campo \var{l\_type} della struttura puntata da + \param{lock} è \const{F\_RDLCK} o \const{F\_WRLCK} richiede il + corrispondente \textit{file lock}, se è \const{F\_UNLCK} lo rilascia. Nel + caso la richiesta non possa essere soddisfatta a causa di un blocco + preesistente la funzione ritorna immediatamente con un errore di + \errcode{EACCES} o di \errcode{EAGAIN}. +\item[\const{F\_SETLKW}] è identica a \const{F\_SETLK}, ma se la richiesta di + non può essere soddisfatta per la presenza di un altro blocco, mette il + processo in stato di attesa fintanto che il blocco precedente non viene + rilasciato. Se l'attesa viene interrotta da un segnale la funzione ritorna + con un errore di \errcode{EINTR}. +\end{basedescript} + +Si noti che per quanto detto il comando \const{F\_GETLK} non serve a rilevare +una presenza generica di blocco su un file, perché se ne esistono altri +compatibili con quello richiesto, la funzione ritorna comunque impostando +\var{l\_type} a \const{F\_UNLCK}. Inoltre a seconda del valore di +\var{l\_type} si potrà controllare o l'esistenza di un qualunque tipo di +blocco (se è \const{F\_WRLCK}) o di \textit{write lock} (se è +\const{F\_RDLCK}). Si consideri poi che può esserci più di un blocco che +impedisce l'acquisizione di quello richiesto (basta che le regioni si +sovrappongano), ma la funzione ne riporterà sempre soltanto uno, impostando +\var{l\_whence} a \const{SEEK\_SET} ed i valori \var{l\_start} e \var{l\_len} +per indicare quale è la regione bloccata. + +Infine si tenga presente che effettuare un controllo con il comando +\const{F\_GETLK} e poi tentare l'acquisizione con \const{F\_SETLK} non è una +operazione atomica (un altro processo potrebbe acquisire un blocco fra le due +chiamate) per cui si deve sempre verificare il codice di ritorno di +\func{fcntl}\footnote{controllare il codice di ritorno delle funzioni invocate + è comunque una buona norma di programmazione, che permette di evitare un + sacco di errori difficili da tracciare proprio perché non vengono rilevati.} +quando la si invoca con \const{F\_SETLK}, per controllare che il blocco sia +stato effettivamente acquisito. + +\begin{figure}[htb] + \centering \includegraphics[width=9cm]{img/file_lock_dead} + \caption{Schema di una situazione di \itindex{deadlock} \textit{deadlock}.} + \label{fig:file_flock_dead} +\end{figure} + +Non operando a livello di interi file, il \textit{file locking} POSIX +introduce un'ulteriore complicazione; consideriamo la situazione illustrata in +fig.~\ref{fig:file_flock_dead}, in cui il processo A blocca la regione 1 e il +processo B la regione 2. Supponiamo che successivamente il processo A richieda +un lock sulla regione 2 che non può essere acquisito per il preesistente lock +del processo 2; il processo 1 si bloccherà fintanto che il processo 2 non +rilasci il blocco. Ma cosa accade se il processo 2 nel frattempo tenta a sua +volta di ottenere un lock sulla regione A? Questa è una tipica situazione che +porta ad un \itindex{deadlock} \textit{deadlock}, dato che a quel punto anche +il processo 2 si bloccherebbe, e niente potrebbe sbloccare l'altro processo. +Per questo motivo il kernel si incarica di rilevare situazioni di questo tipo, +ed impedirle restituendo un errore di \errcode{EDEADLK} alla funzione che +cerca di acquisire un blocco che porterebbe ad un \itindex{deadlock} +\textit{deadlock}. + +Per capire meglio il funzionamento del \textit{file locking} in semantica +POSIX (che differisce alquanto rispetto da quello di BSD, visto +sez.~\ref{sec:file_flock}) esaminiamo più in dettaglio come viene gestito dal +kernel. Lo schema delle strutture utilizzate è riportato in +fig.~\ref{fig:file_posix_lock}; come si vede esso è molto simile all'analogo +di fig.~\ref{fig:file_flock_struct}:\footnote{in questo caso nella figura si + sono evidenziati solo i campi di \struct{file\_lock} significativi per la + semantica POSIX, in particolare adesso ciascuna struttura contiene, oltre al + \acr{pid} del processo in \var{fl\_pid}, la sezione di file che viene + bloccata grazie ai campi \var{fl\_start} e \var{fl\_end}. La struttura è + comunque la stessa, solo che in questo caso nel campo \var{fl\_flags} è + impostato il bit \const{FL\_POSIX} ed il campo \var{fl\_file} non viene + usato.} il blocco è sempre associato \index{inode} all'inode, solo che in +questo caso la titolarità non viene identificata con il riferimento ad una +voce nella \itindex{file~table} \textit{file table}, ma con il valore del +\acr{pid} del processo. + +\begin{figure}[!bht] + \centering \includegraphics[width=13cm]{img/file_posix_lock} + \caption{Schema dell'architettura del \textit{file locking}, nel caso + particolare del suo utilizzo secondo l'interfaccia standard POSIX.} + \label{fig:file_posix_lock} +\end{figure} + +Quando si richiede un \textit{file lock} il kernel effettua una scansione di +tutti i blocchi presenti sul file\footnote{scandisce cioè la + \itindex{linked~list} \textit{linked list} delle strutture + \struct{file\_lock}, scartando automaticamente quelle per cui + \var{fl\_flags} non è \const{FL\_POSIX}, così che le due interfacce restano + ben separate.} per verificare se la regione richiesta non si sovrappone ad +una già bloccata, in caso affermativo decide in base al tipo di blocco, in +caso negativo il nuovo blocco viene comunque acquisito ed aggiunto alla lista. + +Nel caso di rimozione invece questa viene effettuata controllando che il +\acr{pid} del processo richiedente corrisponda a quello contenuto nel blocco. +Questa diversa modalità ha delle conseguenze precise riguardo il comportamento +dei \textit{file lock} POSIX. La prima conseguenza è che un \textit{file lock} +POSIX non viene mai ereditato attraverso una \func{fork}, dato che il processo +figlio avrà un \acr{pid} diverso, mentre passa indenne attraverso una +\func{exec} in quanto il \acr{pid} resta lo stesso. Questo comporta che, al +contrario di quanto avveniva con la semantica BSD, quando un processo termina +tutti i \textit{file lock} da esso detenuti vengono immediatamente rilasciati. + +La seconda conseguenza è che qualunque file descriptor che faccia riferimento +allo stesso file (che sia stato ottenuto con una \func{dup} o con una +\func{open} in questo caso non fa differenza) può essere usato per rimuovere +un blocco, dato che quello che conta è solo il \acr{pid} del processo. Da +questo deriva una ulteriore sottile differenza di comportamento: dato che alla +chiusura di un file i blocchi ad esso associati vengono rimossi, nella +semantica POSIX basterà chiudere un file descriptor qualunque per cancellare +tutti i blocchi relativi al file cui esso faceva riferimento, anche se questi +fossero stati creati usando altri file descriptor che restano aperti. + +Dato che il controllo sull'accesso ai blocchi viene eseguito sulla base del +\acr{pid} del processo, possiamo anche prendere in considerazione un altro +degli aspetti meno chiari di questa interfaccia e cioè cosa succede quando si +richiedono dei blocchi su regioni che si sovrappongono fra loro all'interno +stesso processo. Siccome il controllo, come nel caso della rimozione, si basa +solo sul \acr{pid} del processo che chiama la funzione, queste richieste +avranno sempre successo. + +Nel caso della semantica BSD, essendo i lock relativi a tutto un file e non +accumulandosi,\footnote{questa ultima caratteristica è vera in generale, se + cioè si richiede più volte lo stesso \textit{file lock}, o più blocchi sulla + stessa sezione di file, le richieste non si cumulano e basta una sola + richiesta di rilascio per cancellare il blocco.} la cosa non ha alcun +effetto; la funzione ritorna con successo, senza che il kernel debba +modificare la lista dei \textit{file lock}. In questo caso invece si possono +avere una serie di situazioni diverse: ad esempio è possibile rimuovere con +una sola chiamata più \textit{file lock} distinti (indicando in una regione +che si sovrapponga completamente a quelle di questi ultimi), o rimuovere solo +una parte di un blocco preesistente (indicando una regione contenuta in quella +di un altro blocco), creando un buco, o coprire con un nuovo blocco altri +\textit{file lock} già ottenuti, e così via, a secondo di come si +sovrappongono le regioni richieste e del tipo di operazione richiesta. Il +comportamento seguito in questo caso che la funzione ha successo ed esegue +l'operazione richiesta sulla regione indicata; è compito del kernel +preoccuparsi di accorpare o dividere le voci nella lista dei \textit{file + lock} per far si che le regioni bloccate da essa risultanti siano coerenti +con quanto necessario a soddisfare l'operazione richiesta. + +\begin{figure}[!htb] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includecodesample{listati/Flock.c} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{Sezione principale del codice del programma \file{Flock.c}.} + \label{fig:file_flock_code} +\end{figure} + +Per fare qualche esempio sul \textit{file locking} si è scritto un programma che +permette di bloccare una sezione di un file usando la semantica POSIX, o un +intero file usando la semantica BSD; in fig.~\ref{fig:file_flock_code} è +riportata il corpo principale del codice del programma, (il testo completo è +allegato nella directory dei sorgenti). + +La sezione relativa alla gestione delle opzioni al solito si è omessa, come la +funzione che stampa le istruzioni per l'uso del programma, essa si cura di +impostare le variabili \var{type}, \var{start} e \var{len}; queste ultime due +vengono inizializzate al valore numerico fornito rispettivamente tramite gli +switch \code{-s} e \cmd{-l}, mentre il valore della prima viene impostato con +le opzioni \cmd{-w} e \cmd{-r} si richiede rispettivamente o un \textit{write + lock} o \textit{read lock} (i due valori sono esclusivi, la variabile +assumerà quello che si è specificato per ultimo). Oltre a queste tre vengono +pure impostate la variabile \var{bsd}, che abilita la semantica omonima quando +si invoca l'opzione \cmd{-f} (il valore preimpostato è nullo, ad indicare la +semantica POSIX), e la variabile \var{cmd} che specifica la modalità di +richiesta del \textit{file lock} (bloccante o meno), a seconda dell'opzione +\cmd{-b}. + +Il programma inizia col controllare (\texttt{\small 11--14}) che venga passato +un argomento (il file da bloccare), che sia stato scelto (\texttt{\small + 15--18}) il tipo di blocco, dopo di che apre (\texttt{\small 19}) il file, +uscendo (\texttt{\small 20--23}) in caso di errore. A questo punto il +comportamento dipende dalla semantica scelta; nel caso sia BSD occorre +reimpostare il valore di \var{cmd} per l'uso con \func{flock}; infatti il +valore preimpostato fa riferimento alla semantica POSIX e vale rispettivamente +\const{F\_SETLKW} o \const{F\_SETLK} a seconda che si sia impostato o meno la +modalità bloccante. + +Nel caso si sia scelta la semantica BSD (\texttt{\small 25--34}) prima si +controlla (\texttt{\small 27--31}) il valore di \var{cmd} per determinare se +si vuole effettuare una chiamata bloccante o meno, reimpostandone il valore +opportunamente, dopo di che a seconda del tipo di blocco al valore viene +aggiunta la relativa opzione (con un OR aritmetico, dato che \func{flock} +vuole un argomento \param{operation} in forma di maschera binaria. Nel caso +invece che si sia scelta la semantica POSIX le operazioni sono molto più +immediate, si prepara (\texttt{\small 36--40}) la struttura per il lock, e lo +esegue (\texttt{\small 41}). + +In entrambi i casi dopo aver richiesto il blocco viene controllato il +risultato uscendo (\texttt{\small 44--46}) in caso di errore, o stampando un +messaggio (\texttt{\small 47--49}) in caso di successo. Infine il programma si +pone in attesa (\texttt{\small 50}) finché un segnale (ad esempio un \cmd{C-c} +dato da tastiera) non lo interrompa; in questo caso il programma termina, e +tutti i blocchi vengono rilasciati. + +Con il programma possiamo fare varie verifiche sul funzionamento del +\textit{file locking}; cominciamo con l'eseguire un \textit{read lock} su un +file, ad esempio usando all'interno di un terminale il seguente comando: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -r Flock.c +Lock acquired +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +il programma segnalerà di aver acquisito un blocco e si bloccherà; in questo +caso si è usato il \textit{file locking} POSIX e non avendo specificato niente +riguardo alla sezione che si vuole bloccare sono stati usati i valori +preimpostati che bloccano tutto il file. A questo punto se proviamo ad +eseguire lo stesso comando in un altro terminale, e avremo lo stesso +risultato. Se invece proviamo ad eseguire un \textit{write lock} avremo: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w Flock.c +Failed lock: Resource temporarily unavailable +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +come ci aspettiamo il programma terminerà segnalando l'indisponibilità del +blocco, dato che il file è bloccato dal precedente \textit{read lock}. Si noti +che il risultato è lo stesso anche se si richiede il blocco su una sola parte +del file con il comando: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c +Failed lock: Resource temporarily unavailable +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +se invece blocchiamo una regione con: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -s0 -l10 Flock.c +Lock acquired +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +una volta che riproviamo ad acquisire il \textit{write lock} i risultati +dipenderanno dalla regione richiesta; ad esempio nel caso in cui le due +regioni si sovrappongono avremo che: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s5 -l15 Flock.c +Failed lock: Resource temporarily unavailable +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +ed il blocco viene rifiutato, ma se invece si richiede una regione distinta +avremo che: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s11 -l15 Flock.c +Lock acquired +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +ed il blocco viene acquisito. Se a questo punto si prova ad eseguire un +\textit{read lock} che comprende la nuova regione bloccata in scrittura: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -s10 -l20 Flock.c +Failed lock: Resource temporarily unavailable +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +come ci aspettiamo questo non sarà consentito. + +Il programma di norma esegue il tentativo di acquisire il lock in modalità non +bloccante, se però usiamo l'opzione \cmd{-b} possiamo impostare la modalità +bloccante, riproviamo allora a ripetere le prove precedenti con questa +opzione: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -b -s0 -l10 Flock.c Lock acquired +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +il primo comando acquisisce subito un \textit{read lock}, e quindi non cambia +nulla, ma se proviamo adesso a richiedere un \textit{write lock} che non potrà +essere acquisito otterremo: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +il programma cioè si bloccherà nella chiamata a \func{fcntl}; se a questo +punto rilasciamo il precedente blocco (terminando il primo comando un +\texttt{C-c} sul terminale) potremo verificare che sull'altro terminale il +blocco viene acquisito, con la comparsa di una nuova riga: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c +Lock acquired +\end{verbatim}%$ +\end{minipage}\vspace{3mm} +\par\noindent + +Un'altra cosa che si può controllare con il nostro programma è l'interazione +fra i due tipi di blocco; se ripartiamo dal primo comando con cui si è +ottenuto un blocco in lettura sull'intero file, possiamo verificare cosa +succede quando si cerca di ottenere un blocco in scrittura con la semantica +BSD: + +\vspace{1mm} +\begin{minipage}[c]{12cm} +\begin{verbatim} +[root@gont sources]# ./flock -f -w Flock.c +Lock acquired +\end{verbatim} +\end{minipage}\vspace{1mm} +\par\noindent +che ci mostra come i due tipi di blocco siano assolutamente indipendenti; per +questo motivo occorre sempre tenere presente quale fra le due semantiche +disponibili stanno usando i programmi con cui si interagisce, dato che i +blocchi applicati con l'altra non avrebbero nessun effetto. + + + +\subsection{La funzione \func{lockf}} +\label{sec:file_lockf} + +Abbiamo visto come l'interfaccia POSIX per il \textit{file locking} sia molto +più potente e flessibile di quella di BSD, questo comporta anche una maggiore +complessità per via delle varie opzioni da passare a \func{fcntl}. Per questo +motivo è disponibile anche una interfaccia semplificata (ripresa da System V) +che utilizza la funzione \funcd{lockf}, il cui prototipo è: +\begin{prototype}{sys/file.h}{int lockf(int fd, int cmd, off\_t len)} + + Applica, controlla o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EWOULDBLOCK}] non è possibile acquisire il lock, e si è + selezionato \const{LOCK\_NB}, oppure l'operazione è proibita perché il + file è mappato in memoria. + \item[\errcode{ENOLCK}] il sistema non ha le risorse per il blocco: ci + sono troppi segmenti di \textit{lock} aperti, si è esaurita la tabella + dei \textit{file lock}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EINVAL}. + } +\end{prototype} + +Il comportamento della funzione dipende dal valore dell'argomento \param{cmd}, +che specifica quale azione eseguire; i valori possibili sono riportati in +tab.~\ref{tab:file_lockf_type}. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{7cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{LOCK\_SH}& Richiede uno \textit{shared lock}. Più processi possono + mantenere un blocco condiviso sullo stesso file.\\ + \const{LOCK\_EX}& Richiede un \textit{exclusive lock}. Un solo processo + alla volta può mantenere un blocco esclusivo su un file.\\ + \const{LOCK\_UN}& Sblocca il file.\\ + \const{LOCK\_NB}& Non blocca la funzione quando il blocco non è disponibile, + si specifica sempre insieme ad una delle altre operazioni + con un OR aritmetico dei valori.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Valori possibili per l'argomento \param{cmd} di \func{lockf}.} + \label{tab:file_lockf_type} +\end{table} + +Qualora il blocco non possa essere acquisito, a meno di non aver specificato +\const{LOCK\_NB}, la funzione si blocca fino alla disponibilità dello stesso. +Dato che la funzione è implementata utilizzando \func{fcntl} la semantica +delle operazioni è la stessa di quest'ultima (pertanto la funzione non è +affatto equivalente a \func{flock}). + + + +\subsection{Il \textit{mandatory locking}} +\label{sec:file_mand_locking} + +\itindbeg{mandatory~locking|(} + +Il \textit{mandatory locking} è una opzione introdotta inizialmente in SVr4, +per introdurre un \textit{file locking} che, come dice il nome, fosse +effettivo indipendentemente dai controlli eseguiti da un processo. Con il +\textit{mandatory locking} infatti è possibile far eseguire il blocco del file +direttamente al sistema, così che, anche qualora non si predisponessero le +opportune verifiche nei processi, questo verrebbe comunque rispettato. + +Per poter utilizzare il \textit{mandatory locking} è stato introdotto un +utilizzo particolare del bit \itindex{sgid~bit} \acr{sgid}. Se si ricorda +quanto esposto in sez.~\ref{sec:file_special_perm}), esso viene di norma +utilizzato per cambiare il group-ID effettivo con cui viene eseguito un +programma, ed è pertanto sempre associato alla presenza del permesso di +esecuzione per il gruppo. Impostando questo bit su un file senza permesso di +esecuzione in un sistema che supporta il \textit{mandatory locking}, fa sì che +quest'ultimo venga attivato per il file in questione. In questo modo una +combinazione dei permessi originariamente non contemplata, in quanto senza +significato, diventa l'indicazione della presenza o meno del \textit{mandatory + locking}.\footnote{un lettore attento potrebbe ricordare quanto detto in + sez.~\ref{sec:file_perm_management} e cioè che il bit \acr{sgid} viene + cancellato (come misura di sicurezza) quando di scrive su un file, questo + non vale quando esso viene utilizzato per attivare il \textit{mandatory + locking}.} + +L'uso del \textit{mandatory locking} presenta vari aspetti delicati, dato che +neanche l'amministratore può passare sopra ad un \textit{file lock}; pertanto +un processo che blocchi un file cruciale può renderlo completamente +inaccessibile, rendendo completamente inutilizzabile il sistema\footnote{il + problema si potrebbe risolvere rimuovendo il bit \itindex{sgid~bit} + \acr{sgid}, ma non è detto che sia così facile fare questa operazione con un + sistema bloccato.} inoltre con il \textit{mandatory locking} si può +bloccare completamente un server NFS richiedendo una lettura su un file su cui +è attivo un blocco. Per questo motivo l'abilitazione del \textit{mandatory + locking} è di norma disabilitata, e deve essere attivata filesystem per +filesystem in fase di montaggio (specificando l'apposita opzione di +\func{mount} riportata in tab.~\ref{tab:sys_mount_flags}, o con l'opzione +\code{-o mand} per il comando omonimo). + +Si tenga presente inoltre che il \textit{mandatory locking} funziona solo +sull'interfaccia POSIX di \func{fcntl}. Questo ha due conseguenze: che non si +ha nessun effetto sui \textit{file lock} richiesti con l'interfaccia di +\func{flock}, e che la granularità del blocco è quella del singolo byte, come +per \func{fcntl}. + +La sintassi di acquisizione dei blocchi è esattamente la stessa vista in +precedenza per \func{fcntl} e \func{lockf}, la differenza è che in caso di +\textit{mandatory lock} attivato non è più necessario controllare la +disponibilità di accesso al file, ma si potranno usare direttamente le +ordinarie funzioni di lettura e scrittura e sarà compito del kernel gestire +direttamente il \textit{file locking}. + +Questo significa che in caso di \textit{read lock} la lettura dal file potrà +avvenire normalmente con \func{read}, mentre una \func{write} si bloccherà +fino al rilascio del blocco, a meno di non aver aperto il file con +\const{O\_NONBLOCK}, nel qual caso essa ritornerà immediatamente con un errore +di \errcode{EAGAIN}. + +Se invece si è acquisito un \textit{write lock} tutti i tentativi di leggere o +scrivere sulla regione del file bloccata fermeranno il processo fino al +rilascio del blocco, a meno che il file non sia stato aperto con +\const{O\_NONBLOCK}, nel qual caso di nuovo si otterrà un ritorno immediato +con l'errore di \errcode{EAGAIN}. + +Infine occorre ricordare che le funzioni di lettura e scrittura non sono le +sole ad operare sui contenuti di un file, e che sia \func{creat} che +\func{open} (quando chiamata con \const{O\_TRUNC}) effettuano dei cambiamenti, +così come \func{truncate}, riducendone le dimensioni (a zero nei primi due +casi, a quanto specificato nel secondo). Queste operazioni sono assimilate a +degli accessi in scrittura e pertanto non potranno essere eseguite (fallendo +con un errore di \errcode{EAGAIN}) su un file su cui sia presente un qualunque +blocco (le prime due sempre, la terza solo nel caso che la riduzione delle +dimensioni del file vada a sovrapporsi ad una regione bloccata). + +L'ultimo aspetto della interazione del \textit{mandatory locking} con le +funzioni di accesso ai file è quello relativo ai file mappati in memoria (che +abbiamo trattato in sez.~\ref{sec:file_memory_map}); anche in tal caso +infatti, quando si esegue la mappatura con l'opzione \const{MAP\_SHARED}, si +ha un accesso al contenuto del file. Lo standard SVID prevede che sia +impossibile eseguire il memory mapping di un file su cui sono presenti dei +blocchi\footnote{alcuni sistemi, come HP-UX, sono ancora più restrittivi e lo + impediscono anche in caso di \textit{advisory locking}, anche se questo + comportamento non ha molto senso, dato che comunque qualunque accesso + diretto al file è consentito.} in Linux è stata però fatta la scelta +implementativa\footnote{per i dettagli si possono leggere le note relative + all'implementazione, mantenute insieme ai sorgenti del kernel nel file + \file{Documentation/mandatory.txt}.} di seguire questo comportamento +soltanto quando si chiama \func{mmap} con l'opzione \const{MAP\_SHARED} (nel +qual caso la funzione fallisce con il solito \errcode{EAGAIN}) che comporta la +possibilità di modificare il file. + +\index{file!locking|)} + +\itindend{mandatory~locking|(} + + +\section{L'\textit{I/O multiplexing}} +\label{sec:file_multiplexing} + + +Uno dei problemi che si presentano quando si deve operare contemporaneamente +su molti file usando le funzioni illustrate in +cap.~\ref{cha:file_unix_interface} e cap.~\ref{cha:files_std_interface} è che +si può essere bloccati nelle operazioni su un file mentre un altro potrebbe +essere disponibile. L'\textit{I/O multiplexing} nasce risposta a questo +problema. In questa sezione forniremo una introduzione a questa problematica +ed analizzeremo le varie funzioni usate per implementare questa modalità di +I/O. + + +\subsection{La problematica dell'\textit{I/O multiplexing}} +\label{sec:file_noblocking} + +Abbiamo visto in sez.~\ref{sec:sig_gen_beha}, affrontando la suddivisione fra +\textit{fast} e \textit{slow} system call,\index{system~call~lente} 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\index{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 si verifica quando si deve operare con +più file descriptor eseguendo funzioni che possono bloccarsi senza che sia +possibile prevedere quando questo può avvenire (il caso più classico è quello +di un server in attesa di dati in ingresso da vari client). Quello che può +accadere è di restare bloccati nell'eseguire una operazione su un file +descriptor che non è ``\textsl{pronto}'', quando ce ne potrebbe essere un +altro disponibile. Questo comporta nel migliore dei casi una operazione +ritardata inutilmente nell'attesa del completamento di quella bloccata, mentre +nel peggiore dei casi (quando la conclusione della operazione bloccata dipende +da quanto si otterrebbe dal file descriptor ``\textsl{disponibile}'') si +potrebbe addirittura arrivare ad un \itindex{deadlock} \textit{deadlock}. + +Abbiamo già accennato in sez.~\ref{sec:file_open} che è possibile prevenire +questo tipo di comportamento delle funzioni di I/O aprendo un file in +\textsl{modalità non-bloccante}, attraverso l'uso del flag \const{O\_NONBLOCK} +nella chiamata di \func{open}. In questo caso le funzioni di input/output +eseguite sul file che si sarebbero bloccate, ritornano immediatamente, +restituendo l'errore \errcode{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 \itindex{polling} \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 superare questo problema è stato introdotto il concetto di \textit{I/O + multiplexing}, una nuova modalità di operazioni che consente di tenere sotto +controllo più file descriptor in contemporanea, permettendo di bloccare un +processo quando le operazioni volute non sono possibili, e di riprenderne +l'esecuzione una volta che almeno una di quelle richieste sia effettuabile, in +modo da poterla eseguire con la sicurezza di non restare bloccati. + +Dato che, come abbiamo già accennato, per i normali file su disco non si ha +mai un accesso bloccante, l'uso più comune delle funzioni che esamineremo nei +prossimi paragrafi è per i server di rete, in cui esse vengono utilizzate per +tenere sotto controllo dei socket; pertanto ritorneremo su di esse con +ulteriori dettagli e qualche esempio di utilizzo concreto in +sez.~\ref{sec:TCP_sock_multiplexing}. + + +\subsection{Le funzioni \func{select} e \func{pselect}} +\label{sec:file_select} + +Il primo kernel unix-like ad introdurre una interfaccia per l'\textit{I/O + multiplexing} è stato BSD,\footnote{la funzione \func{select} è apparsa in + BSD4.2 e standardizzata in BSD4.4, ma è stata portata su tutti i sistemi che + supportano i socket, compreso le varianti di System V.} con la funzione +\funcd{select}, il cui prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{sys/time.h} + \headdecl{sys/types.h} + \headdecl{unistd.h} + \funcdecl{int select(int ndfs, 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} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato in uno + degli insiemi. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato per \param{ndfs} un valore negativo + o un valore non valido per \param{timeout}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{ENOMEM}. +} +\end{functions} + +La funzione mette il processo in stato di \textit{sleep} (vedi +tab.~\ref{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}. + +\itindbeg{file~descriptor~set} + +Per specificare quali file descriptor si intende 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 \itindex{signal~set} \textit{signal set} (vedi +sez.~\ref{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{void \macro{FD\_ZERO}(fd\_set *set)} + Inizializza l'insieme (vuoto). + + \funcdecl{void \macro{FD\_SET}(int fd, fd\_set *set)} + Inserisce il file descriptor \param{fd} nell'insieme. + + \funcdecl{void \macro{FD\_CLR}(int fd, fd\_set *set)} + Rimuove il file descriptor \param{fd} dall'insieme. + + \funcdecl{int \macro{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 +\const{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 da +quando, come nelle versioni più recenti del kernel, questo limite è stato +rimosso, esso indica le dimensioni massime dei numeri usati nei \textit{file + descriptor set}.\footnote{il suo valore, secondo lo standard POSIX + 1003.1-2001, è definito in \file{sys/select.h}, ed è pari a 1024.} + +Si tenga presente che i \textit{file descriptor set} devono sempre essere +inizializzati con \macro{FD\_ZERO}; passare a \func{select} un valore non +inizializzato può dar luogo a comportamenti non prevedibili; allo stesso modo +usare \macro{FD\_SET} o \macro{FD\_CLR} con un file descriptor il cui valore +eccede \const{FD\_SETSIZE} può dare luogo ad un comportamento indefinito. + +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,\footnote{per essere precisi la funzione ritornerà in + tutti i casi in cui la successiva esecuzione di \func{read} risulti non + bloccante, quindi anche in caso di \textit{end-of-file}; inoltre con Linux + possono verificarsi casi particolari, ad esempio quando arrivano dati su un + socket dalla rete che poi risultano corrotti e vengono scartati, può + accadere che \func{select} riporti il relativo file descriptor come + leggibile, ma una successiva \func{read} si blocchi.} il secondo, +\param{writefds}, per verificare la possibilità di effettuare una scrittura ed +il terzo, \param{exceptfds}, per verificare l'esistenza di eccezioni (come i +dati urgenti \itindex{out-of-band} su un socket, vedi +sez.~\ref{sec:TCP_urgent_data}). + +Dato che in genere non si tengono mai sotto controllo fino a +\const{FD\_SETSIZE} file contemporaneamente la funzione richiede di +specificare qual è il valore più alto fra i file descriptor indicati nei tre +insiemi precedenti. Questo viene fatto per efficienza, per evitare di passare +e far controllare al kernel una quantità di memoria superiore a quella +necessaria. Questo limite viene indicato tramite l'argomento \param{ndfs}, che +deve corrispondere al valore massimo aumentato di uno.\footnote{si ricordi che + i file descriptor sono numerati progressivamente a partire da zero, ed il + valore indica il numero più alto fra quelli da tenere sotto controllo; + dimenticarsi di aumentare di uno il valore di \param{ndfs} è un errore + comune.} + +Infine l'argomento \param{timeout}, espresso con una struttura di tipo +\struct{timeval} (vedi fig.~\ref{fig:sys_timeval_struct}) specifica un tempo +massimo di attesa prima che la funzione ritorni; se impostato a \val{NULL} la +funzione attende indefinitamente. Si può specificare anche un tempo nullo +(cioè una struttura \struct{timeval} con i campi impostati a zero), qualora si +voglia semplicemente controllare lo stato corrente dei file descriptor. + +La funzione restituisce il numero di file descriptor pronti,\footnote{questo è + il comportamento previsto dallo standard, ma la standardizzazione della + funzione è recente, ed esistono ancora alcune versioni di Unix che non si + comportano in questo modo.} e ciascun insieme viene sovrascritto per +indicare quali sono i file descriptor pronti per le operazioni ad esso +relative, in modo da poterli controllare con \macro{FD\_ISSET}. Se invece si +ha un timeout viene restituito un valore nullo e gli insiemi non vengono +modificati. In caso di errore la funzione restituisce -1, ed i valori dei tre +insiemi sono indefiniti e non si può fare nessun affidamento sul loro +contenuto. + +\itindend{file~descriptor~set} + +Una volta ritornata la funzione si potrà controllare quali sono i file +descriptor pronti ed operare su di essi, si tenga presente però che si tratta +solo di un suggerimento, esistono infatti condizioni\footnote{ad esempio + quando su un socket arrivano dei dati che poi vengono scartati perché + corrotti.} in cui \func{select} può riportare in maniera spuria che un file +descriptor è pronto in lettura, quando una successiva lettura si bloccherebbe. +Per questo quando si usa \textit{I/O multiplexing} è sempre raccomandato l'uso +delle funzioni di lettura e scrittura in modalità non bloccante. + +In Linux \func{select} modifica anche il valore di \param{timeout}, +impostandolo al tempo restante, quando la funzione viene interrotta da un +segnale. In tal caso infatti si ha un errore di \errcode{EINTR}, ed occorre +rilanciare la funzione; in questo modo non è necessario ricalcolare tutte le +volte il tempo rimanente. Questo può causare problemi di portabilità sia +quando si usa 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.\footnote{in + genere questa caratteristica è disponibile nei sistemi che derivano da + System V e non è disponibile per quelli che derivano da BSD; lo standard + POSIX.1-2001 non permette questo comportamento.} + +Uno dei problemi che si presentano con l'uso di \func{select} è che il suo +comportamento dipende dal valore del file descriptor che si vuole tenere sotto +controllo. Infatti il kernel riceve con \param{ndfs} un limite massimo per +tale valore, e per capire quali sono i file descriptor da tenere sotto +controllo dovrà effettuare una scansione su tutto l'intervallo, che può anche +essere molto ampio anche se i file descriptor sono solo poche unità; tutto ciò +ha ovviamente delle conseguenze ampiamente negative per le prestazioni. + +Inoltre c'è anche il problema che il numero massimo dei file che si possono +tenere sotto controllo, la funzione è nata quando il kernel consentiva un +numero massimo di 1024 file descriptor per processo, adesso che il numero può +essere arbitrario si viene a creare una dipendenza del tutto artificiale dalle +dimensioni della struttura \type{fd\_set}, che può necessitare di essere +estesa, con ulteriori perdite di prestazioni. + +Lo standard POSIX è rimasto a lungo senza primitive per l'\textit{I/O + multiplexing}, introdotto solo con le ultime revisioni dello standard (POSIX +1003.1g-2000 e POSIX 1003.1-2001). La scelta è stata quella di seguire +l'interfaccia creata da BSD, ma prevede che tutte le funzioni ad esso relative +vengano dichiarate nell'header \file{sys/select.h}, che sostituisce i +precedenti, ed inoltre aggiunge a \func{select} una nuova funzione +\funcd{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} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato in uno + degli insiemi. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato per \param{ndfs} un valore negativo + o un valore non valido per \param{timeout}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{ENOMEM}.} +\end{prototype} + +La funzione è sostanzialmente identica a \func{select}, solo che usa una +struttura \struct{timespec} (vedi fig.~\ref{fig:sys_timespec_struct}) per +indicare con maggiore precisione il timeout e non ne aggiorna il valore in +caso di interruzione.\footnote{in realtà la system call di Linux aggiorna il + valore al tempo rimanente, ma la funzione fornita dalle \acr{glibc} modifica + questo comportamento passando alla system call una variabile locale, in modo + da mantenere l'aderenza allo standard POSIX che richiede che il valore di + \param{timeout} non sia modificato.} Inoltre prende un argomento aggiuntivo +\param{sigmask} che è il puntatore ad una maschera di segnali (si veda +sez.~\ref{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 +\textit{race condition} \itindex{race~condition} quando ci si deve porre in +attesa sia di un segnale che di dati. La tecnica classica è quella di +utilizzare il gestore per impostare una variabile globale e controllare questa +nel corpo principale del programma; abbiamo visto in +sez.~\ref{sec:sig_example} come questo lasci spazio a possibili race +condition, per cui diventa essenziale utilizzare \func{sigprocmask} per +disabilitare la ricezione del segnale prima di eseguire il controllo e +riabilitarlo dopo l'esecuzione delle relative operazioni, onde evitare +l'arrivo di un segnale immediatamente dopo il controllo, che andrebbe perso. + +Nel nostro caso il problema si pone quando oltre al segnale si devono tenere +sotto controllo anche dei file descriptor con \func{select}, in questo caso si +può fare conto sul fatto che all'arrivo di un segnale essa verrebbe interrotta +e si potrebbero eseguire di conseguenza le operazioni relative al segnale e +alla gestione dati con un ciclo del tipo: +\includecodesnip{listati/select_race.c} +qui però emerge una \itindex{race~condition} \textit{race condition}, perché +se il segnale arriva prima della chiamata a \func{select}, questa non verrà +interrotta, e la ricezione del segnale non sarà rilevata. + +Per questo è stata introdotta \func{pselect} che attraverso l'argomento +\param{sigmask} permette di riabilitare la ricezione il segnale +contestualmente all'esecuzione della funzione,\footnote{in Linux però, fino al + kernel 2.6.16, non era presente la relativa system call, e la funzione era + implementata nelle \acr{glibc} attraverso \func{select} (vedi \texttt{man + select\_tut}) per cui la possibilità di \itindex{race~condition} + \textit{race condition} permaneva; in tale situazione si può ricorrere ad una + soluzione alternativa, chiamata \itindex{self-pipe trick} \textit{self-pipe + trick}, che consiste nell'aprire una pipe (vedi sez.~\ref{sec:ipc_pipes}) + ed usare \func{select} sul capo in lettura della stessa; si può indicare + l'arrivo di un segnale scrivendo sul capo in scrittura all'interno del + gestore dello stesso; in questo modo anche se il segnale va perso prima + della chiamata di \func{select} questa lo riconoscerà comunque dalla + presenza di dati sulla pipe.} ribloccandolo non appena essa ritorna, così +che il precedente codice potrebbe essere riscritto nel seguente modo: +\includecodesnip{listati/pselect_norace.c} +in questo caso utilizzando \var{oldmask} durante l'esecuzione di +\func{pselect} la ricezione del segnale sarà abilitata, ed in caso di +interruzione si potranno eseguire le relative operazioni. + + +\subsection{Le funzioni \func{poll} e \func{ppoll}} +\label{sec:file_poll} + +Nello sviluppo di System V, invece di utilizzare l'interfaccia di +\func{select}, che è una estensione tipica di BSD, è stata introdotta un'altra +interfaccia, basata sulla funzione \funcd{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 ed inserita nelle \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 attende un cambiamento di stato su un insieme di file + descriptor. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor con attività + in caso di successo, o 0 se c'è stato un timeout e -1 in caso di errore, + ed in quest'ultimo caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato in uno + degli insiemi. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{nfds} eccede il limite + \macro{RLIMIT\_NOFILE}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{EFAULT} e \errval{ENOMEM}.} +\end{prototype} + +La funzione permette di tenere sotto controllo contemporaneamente \param{ndfs} +file descriptor, specificati attraverso il puntatore \param{ufds} ad un +vettore di strutture \struct{pollfd}. Come con \func{select} si può +interrompere l'attesa dopo un certo tempo, questo deve essere specificato con +l'argomento \param{timeout} in numero di millisecondi: un valore negativo +indica un'attesa indefinita, mentre un valore nullo comporta il ritorno +immediato (e può essere utilizzato per impiegare \func{poll} in modalità +\textsl{non-bloccante}). + +Per ciascun file da controllare deve essere inizializzata una struttura +\struct{pollfd} nel vettore indicato dall'argomento \param{ufds}. La +struttura, la cui definizione è riportata in fig.~\ref{fig:file_pollfd}, +prevede tre campi: in \var{fd} deve essere indicato il numero del file +descriptor da controllare, in \var{events} deve essere specificata una +maschera binaria di flag che indichino il tipo di evento che si vuole +controllare, mentre in \var{revents} il kernel restituirà il relativo +risultato. Usando un valore negativo per \param{fd} la corrispondente +struttura sarà ignorata da \func{poll}. Dato che i dati in ingresso sono del +tutto indipendenti da quelli in uscita (che vengono restituiti in +\var{revents}) non è necessario reinizializzare tutte le volte il valore delle +strutture \struct{pollfd} a meno di non voler cambiare qualche condizione. + +\begin{figure}[!htb] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includestruct{listati/pollfd.h} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{La struttura \structd{pollfd}, utilizzata per specificare le + modalità di controllo di un file descriptor alla funzione \func{poll}.} + \label{fig:file_pollfd} +\end{figure} + +Le costanti che definiscono i valori relativi ai bit usati nelle maschere +binarie dei campi \var{events} e \var{revents} sono riportati in +tab.~\ref{tab:file_pollfd_flags}, insieme al loro significato. Le si sono +suddivise in tre gruppi, nel primo gruppo si sono indicati i bit utilizzati +per controllare l'attività in ingresso, nel secondo quelli per l'attività in +uscita, mentre il terzo gruppo contiene dei valori che vengono utilizzati solo +nel campo \var{revents} per notificare delle condizioni di errore. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|l|} + \hline + \textbf{Flag} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{POLLIN} & È possibile la lettura.\\ + \const{POLLRDNORM}& Sono disponibili in lettura dati normali.\\ + \const{POLLRDBAND}& Sono disponibili in lettura dati prioritari.\\ + \const{POLLPRI} & È possibile la lettura di \itindex{out-of-band} dati + urgenti.\\ + \hline + \const{POLLOUT} & È possibile la scrittura immediata.\\ + \const{POLLWRNORM}& È possibile la scrittura di dati normali.\\ + \const{POLLWRBAND}& È possibile la scrittura di dati prioritari.\\ + \hline + \const{POLLERR} & C'è una condizione di errore.\\ + \const{POLLHUP} & Si è verificato un hung-up.\\ + \const{POLLRDHUP} & Si è avuta una \textsl{half-close} su un + socket.\footnotemark\\ + \const{POLLNVAL} & Il file descriptor non è aperto.\\ + \hline + \const{POLLMSG} & Definito per compatibilità con SysV.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Costanti per l'identificazione dei vari bit dei campi + \var{events} e \var{revents} di \struct{pollfd}.} + \label{tab:file_pollfd_flags} +\end{table} + +\footnotetext{si tratta di una estensione specifica di Linux, disponibile a + partire dal kernel 2.6.17 definendo la marco \macro{\_GNU\_SOURCE}, che + consente di riconoscere la chiusura in scrittura dell'altro capo di un + socket, situazione che si viene chiamata appunto \itindex{half-close} + \textit{half-close} (\textsl{mezza chiusura}) su cui torneremo con maggiori + dettagli in sez.~\ref{sec:TCP_shutdown}.} + +Il valore \const{POLLMSG} non viene utilizzato ed è definito solo per +compatibilità con l'implementazione di SysV che usa gli +\textit{stream};\footnote{essi sono una interfaccia specifica di SysV non + presente in Linux, e non hanno nulla a che fare con i file \textit{stream} + delle librerie standard del C.} è da questi che derivano i nomi di alcune +costanti, in quanto per essi sono definite tre classi di dati: +\textsl{normali}, \textit{prioritari} ed \textit{urgenti}. In Linux la +distinzione ha senso solo per i dati urgenti \itindex{out-of-band} dei socket +(vedi sez.~\ref{sec:TCP_urgent_data}), ma su questo e su come \func{poll} +reagisce alle varie condizioni dei socket torneremo in +sez.~\ref{sec:TCP_serv_poll}, dove vedremo anche un esempio del suo utilizzo. + +Si tenga conto comunque che le costanti relative ai diversi tipi di dati +normali e prioritari, vale a dire \const{POLLRDNORM}, \const{POLLWRNORM}, +\const{POLLRDBAND} e \const{POLLWRBAND} fanno riferimento alle implementazioni +in stile SysV (in particolare le ultime due non vengono usate su Linux), e +sono utilizzabili soltanto qualora si sia definita la macro +\macro{\_XOPEN\_SOURCE}.\footnote{e ci si ricordi di farlo sempre in testa al + file, definirla soltanto prima di includere \file{sys/poll.h} non è + sufficiente.} + +In caso di successo funzione ritorna restituendo il numero di file (un valore +positivo) per i quali si è verificata una delle condizioni di attesa richieste +o per i quali si è verificato un errore, nel qual caso vengono utilizzati i +valori di tab.~\ref{tab:file_pollfd_flags} esclusivi di \var{revents}. Un +valore nullo indica che si è raggiunto il timeout, mentre un valore negativo +indica un errore nella chiamata, il cui codice viene riportato al solito +tramite \var{errno}. + +L'uso di \func{poll} consente di superare alcuni dei problemi illustrati in +precedenza per \func{select}; anzitutto, dato che in questo caso si usa un +vettore di strutture \struct{pollfd} di dimensione arbitraria, non esiste il +limite introdotto dalle dimensioni massime di un \itindex{file~descriptor~set} +\textit{file descriptor set} e la dimensione dei dati passati al kernel +dipende solo dal numero dei file descriptor che si vogliono controllare, non +dal loro valore.\footnote{anche se usando dei bit un \textit{file descriptor + set} può essere più efficiente di un vettore di strutture \struct{pollfd}, + qualora si debba osservare un solo file descriptor con un valore molto alto + ci si troverà ad utilizzare inutilmente un maggiore quantitativo di + memoria.} + +Inoltre con \func{select} lo stesso \itindex{file~descriptor~set} \textit{file + descriptor set} è usato sia in ingresso che in uscita, e questo significa +che tutte le volte che si vuole ripetere l'operazione occorre reinizializzarlo +da capo. Questa operazione, che può essere molto onerosa se i file descriptor +da tenere sotto osservazione sono molti, non è invece necessaria con +\func{poll}. + +Abbiamo visto in sez.~\ref{sec:file_select} come lo standard POSIX preveda una +variante di \func{select} che consente di gestire correttamente la ricezione +dei segnali nell'attesa su un file descriptor. Con l'introduzione di una +implementazione reale di \func{pselect} nel kernel 2.6.16, è stata aggiunta +anche una analoga funzione che svolga lo stesso ruolo per \func{poll}. + +In questo caso si tratta di una estensione che è specifica di Linux e non è +prevista da nessuno standard; essa può essere utilizzata esclusivamente se si +definisce la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} ed ovviamente non deve essere usata +se si ha a cuore la portabilità. La funzione è \funcd{ppoll}, ed il suo +prototipo è: +\begin{prototype}{sys/poll.h} + {int ppoll(struct pollfd *fds, nfds\_t nfds, const struct timespec *timeout, + const sigset\_t *sigmask)} + + La funzione attende un cambiamento di stato su un insieme di file + descriptor. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor con attività + in caso di successo, o 0 se c'è stato un timeout e -1 in caso di errore, + ed in quest'ultimo caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato in uno + degli insiemi. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{nfds} eccede il limite + \macro{RLIMIT\_NOFILE}. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{EFAULT} e \errval{ENOMEM}.} +\end{prototype} + +La funzione ha lo stesso comportamento di \func{poll}, solo che si può +specificare, con l'argomento \param{sigmask}, il puntatore ad una maschera di +segnali; questa sarà la maschera utilizzata per tutto il tempo che la funzione +resterà in attesa, all'uscita viene ripristinata la maschera originale. L'uso +di questa funzione è cioè equivalente, come illustrato nella pagina di +manuale, all'esecuzione atomica del seguente codice: +\includecodesnip{listati/ppoll_means.c} + +Eccetto per \param{timeout}, che come per \func{pselect} deve essere un +puntatore ad una struttura \struct{timespec}, gli altri argomenti comuni con +\func{poll} hanno lo stesso significato, e la funzione restituisce gli stessi +risultati illustrati in precedenza. Come nel caso di \func{pselect} la system +call che implementa \func{ppoll} restituisce, se la funzione viene interrotta +da un segnale, il tempo mancante in \param{timeout}, e come per \func{pselect} +la funzione di libreria fornita dalle \acr{glibc} maschera questo +comportamento non modificando mai il valore di \param{timeout}.\footnote{anche + se in questo caso non esiste nessuno standard che richiede questo + comportamento.} + + +\subsection{L'interfaccia di \textit{epoll}} +\label{sec:file_epoll} + +\itindbeg{epoll} + +Nonostante \func{poll} presenti alcuni vantaggi rispetto a \func{select}, +anche questa funzione non è molto efficiente quando deve essere utilizzata con +un gran numero di file descriptor,\footnote{in casi del genere \func{select} + viene scartata a priori, perché può avvenire che il numero di file + descriptor ecceda le dimensioni massime di un \itindex{file~descriptor~set} + \textit{file descriptor set}.} in particolare nel caso in cui solo pochi di +questi diventano attivi. Il problema in questo caso è che il tempo impiegato +da \func{poll} a trasferire i dati da e verso il kernel è proporzionale al +numero di file descriptor osservati, non a quelli che presentano attività. + +Quando ci sono decine di migliaia di file descriptor osservati e migliaia di +eventi al secondo,\footnote{il caso classico è quello di un server web di un + sito con molti accessi.} l'uso di \func{poll} comporta la necessità di +trasferire avanti ed indietro da user space a kernel space la lunga lista +delle strutture \struct{pollfd} migliaia di volte al secondo. A questo poi si +aggiunge il fatto che la maggior parte del tempo di esecuzione sarà 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. In una situazione come questa l'uso delle funzioni classiche +dell'interfaccia dell'\textit{I/O multiplexing} viene a costituire un collo di +bottiglia che degrada irrimediabilmente le prestazioni. + +Per risolvere questo tipo di situazioni sono state ideate delle interfacce +specialistiche\footnote{come \texttt{/dev/poll} in Solaris, o \texttt{kqueue} + in BSD.} il cui scopo fondamentale è quello di restituire solamente le +informazioni relative ai file descriptor osservati che presentano una +attività, evitando così le problematiche appena illustrate. In genere queste +prevedono che si registrino una sola volta i file descriptor da tenere sotto +osservazione, e forniscono un meccanismo che notifica quali di questi +presentano attività. + +Le modalità con cui avviene la notifica sono due, la prima è quella classica +(quella usata da \func{poll} e \func{select}) che viene chiamata \textit{level + triggered}.\footnote{la nomenclatura è stata introdotta da Jonathan Lemon in + un articolo su \texttt{kqueue} al BSDCON 2000, e deriva da quella usata + nell'elettronica digitale.} In questa modalità vengono notificati i file +descriptor che sono \textsl{pronti} per l'operazione richiesta, e questo +avviene indipendentemente dalle operazioni che possono essere state fatte su +di essi a partire dalla precedente notifica. Per chiarire meglio il concetto +ricorriamo ad un esempio: se su un file descriptor sono diventati disponibili +in lettura 2000 byte ma dopo la notifica ne sono letti solo 1000 (ed è quindi +possibile eseguire una ulteriore lettura dei restanti 1000), in modalità +\textit{level triggered} questo sarà nuovamente notificato come +\textsl{pronto}. + +La seconda modalità, è detta \textit{edge triggered}, e prevede che invece +vengano notificati solo i file descriptor che hanno subito una transizione da +\textsl{non pronti} a \textsl{pronti}. Questo significa che in modalità +\textit{edge triggered} nel caso del precedente esempio il file descriptor +diventato pronto da cui si sono letti solo 1000 byte non verrà nuovamente +notificato come pronto, nonostante siano ancora disponibili in lettura 1000 +byte. Solo una volta che si saranno esauriti tutti i byte disponibili, e che +il file descriptor sia tornato non essere pronto, si potrà ricevere una +ulteriore notifica qualora ritornasse pronto. + +Nel caso di Linux al momento la sola interfaccia che fornisce questo tipo di +servizio è \textit{epoll},\footnote{l'interfaccia è stata creata da Davide + Libenzi, ed è stata introdotta per la prima volta nel kernel 2.5.44, ma la + sua forma definitiva è stata raggiunta nel kernel 2.5.66.} anche se sono in +discussione altre interfacce con le quali si potranno effettuare lo stesso +tipo di operazioni;\footnote{al momento della stesura di queste note (Giugno + 2007) un'altra interfaccia proposta è quella di \textit{kevent}, che + fornisce un sistema di notifica di eventi generico in grado di fornire le + stesse funzionalità di \textit{epoll}, esiste però una forte discussione + intorno a tutto ciò e niente di definito.} \textit{epoll} è in grado di +operare sia in modalità \textit{level triggered} che \textit{edge triggered}. + +La prima versione \textit{epoll} prevedeva l'apertura di uno speciale file di +dispositivo, \texttt{/dev/epoll}, per ottenere un file descriptor da +utilizzare con le funzioni dell'interfaccia,\footnote{il backporting + dell'interfaccia per il kernel 2.4, non ufficiale, utilizza sempre questo + file.} ma poi si è passati all'uso una apposita \textit{system call}. Il +primo passo per usare l'interfaccia di \textit{epoll} è pertanto quello di +chiamare la funzione \funcd{epoll\_create}, il cui prototipo è: +\begin{prototype}{sys/epoll.h} + {int epoll\_create(int size)} + + Apre un file descriptor per \textit{epoll}. + + \bodydesc{La funzione restituisce un file descriptor in caso di successo, o + $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore di \param{size} non + positivo. + \item[\errcode{ENFILE}] si è raggiunto il massimo di file descriptor aperti + nel sistema. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è sufficiente memoria nel kernel per creare + l'istanza. + \end{errlist} +} +\end{prototype} + +La funzione restituisce un file descriptor speciale,\footnote{esso non è + associato a nessun file su disco, inoltre a differenza dei normali file + descriptor non può essere inviato ad un altro processo attraverso un socket + locale (vedi sez.~\ref{sec:sock_fd_passing}).} detto anche \textit{epoll + descriptor}, che viene associato alla infrastruttura utilizzata dal kernel +per gestire la notifica degli eventi; l'argomento \param{size} serve a dare +l'indicazione del numero di file descriptor che si vorranno tenere sotto +controllo, ma costituisce solo un suggerimento per semplificare l'allocazione +di risorse sufficienti, non un valore massimo. + +Una volta ottenuto un file descriptor per \textit{epoll} il passo successivo è +indicare quali file descriptor mettere sotto osservazione e quali operazioni +controllare, per questo si deve usare la seconda funzione dell'interfaccia, +\funcd{epoll\_ctl}, il cui prototipo è: +\begin{prototype}{sys/epoll.h} + {int epoll\_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll\_event *event)} + + Esegue le operazioni di controllo di \textit{epoll}. + + \bodydesc{La funzione restituisce $0$ in caso di successo o $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] il file descriptor \param{epfd} o \param{fd} non sono + validi. + \item[\errcode{EEXIST}] l'operazione richiesta è \const{EPOLL\_CTL\_ADD} ma + \param{fd} è già stato inserito in \param{epfd}. + \item[\errcode{EINVAL}] il file descriptor \param{epfd} non è stato ottenuto + con \func{epoll\_create}, o \param{fd} è lo stesso \param{epfd} o + l'operazione richiesta con \param{op} non è supportata. + \item[\errcode{ENOENT}] l'operazione richiesta è \const{EPOLL\_CTL\_MOD} o + \const{EPOLL\_CTL\_DEL} ma \param{fd} non è inserito in \param{epfd}. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è sufficiente memoria nel kernel gestire + l'operazione richiesta. + \item[\errcode{EPERM}] il file \param{fd} non supporta \textit{epoll}. + \end{errlist} +} +\end{prototype} + +Il comportamento della funzione viene controllato dal valore dall'argomento +\param{op} che consente di specificare quale operazione deve essere eseguita. +Le costanti che definiscono i valori utilizzabili per \param{op} +sono riportate in tab.~\ref{tab:epoll_ctl_operation}, assieme al significato +delle operazioni cui fanno riferimento. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{EPOLL\_CTL\_ADD}& Aggiunge un nuovo file descriptor da osservare + \param{fd} alla lista dei file descriptor + controllati tramite \param{epfd}, in + \param{event} devono essere specificate le + modalità di osservazione.\\ + \const{EPOLL\_CTL\_MOD}& Modifica le modalità di osservazione del file + descriptor \param{fd} secondo il contenuto di + \param{event}.\\ + \const{EPOLL\_CTL\_DEL}& Rimuove il file descriptor \param{fd} dalla lista + dei file controllati tramite \param{epfd}.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Valori dell'argomento \param{op} che consentono di scegliere quale + operazione di controllo effettuare con la funzione \func{epoll\_ctl}.} + \label{tab:epoll_ctl_operation} +\end{table} + +La funzione prende sempre come primo argomento un file descriptor di +\textit{epoll}, \param{epfd}, che deve essere stato ottenuto in precedenza con +una chiamata a \func{epoll\_create}. L'argomento \param{fd} indica invece il +file descriptor che si vuole tenere sotto controllo, quest'ultimo può essere +un qualunque file descriptor utilizzabile con \func{poll}, ed anche un altro +file descriptor di \textit{epoll}, ma non lo stesso \param{epfd}. + +L'ultimo argomento, \param{event}, deve essere un puntatore ad una struttura +di tipo \struct{epoll\_event}, ed ha significato solo con le operazioni +\const{EPOLL\_CTL\_MOD} e \const{EPOLL\_CTL\_ADD}, per le quali serve ad +indicare quale tipo di evento relativo ad \param{fd} si vuole che sia tenuto +sotto controllo. L'argomento viene ignorato con l'operazione +\const{EPOLL\_CTL\_DEL}.\footnote{fino al kernel 2.6.9 era comunque richiesto + che questo fosse un puntatore valido, anche se poi veniva ignorato, a + partire dal 2.6.9 si può specificare anche un valore \texttt{NULL}.} + +\begin{figure}[!htb] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includestruct{listati/epoll_event.h} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{La struttura \structd{epoll\_event}, che consente di specificare + gli eventi associati ad un file descriptor controllato con + \textit{epoll}.} + \label{fig:epoll_event} +\end{figure} + +La struttura \struct{epoll\_event} è l'analoga di \struct{pollfd} e come +quest'ultima serve sia in ingresso (quando usata con \func{epoll\_ctl}) ad +impostare quali eventi osservare, che in uscita (nei risultati ottenuti con +\func{epoll\_wait}) per ricevere le notifiche degli eventi avvenuti. La sua +definizione è riportata in fig.~\ref{fig:epoll_event}. + +Il primo campo, \var{events}, è una maschera binaria in cui ciascun bit +corrisponde o ad un tipo di evento, o una modalità di notifica; detto campo +deve essere specificato come OR aritmetico delle costanti riportate in +tab.~\ref{tab:epoll_events}. Il secondo campo, \var{data}, serve ad indicare a +quale file descriptor si intende fare riferimento, ed in astratto può +contenere un valore qualsiasi che permetta di identificarlo, di norma comunque +si usa come valore lo stesso \param{fd}. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{EPOLLIN} & Il file è pronto per le operazioni di lettura + (analogo di \const{POLLIN}).\\ + \const{EPOLLOUT} & Il file è pronto per le operazioni di scrittura + (analogo di \const{POLLOUT}).\\ + \const{EPOLLRDHUP} & L'altro capo di un socket di tipo + \const{SOCK\_STREAM} (vedi sez.~\ref{sec:sock_type}) + ha chiuso la connessione o il capo in scrittura + della stessa (vedi sez.~\ref{sec:TCP_shutdown}).\\ + \const{EPOLLPRI} & Ci sono \itindex{out-of-band} dati urgenti + disponibili in lettura (analogo di + \const{POLLPRI}); questa condizione viene comunque + riportata in uscita, e non è necessaria impostarla + in ingresso.\\ + \const{EPOLLERR} & Si è verificata una condizione di errore + (analogo di \const{POLLERR}); questa condizione + viene comunque riportata in uscita, e non è + necessaria impostarla in ingresso.\\ + \const{EPOLLHUP} & Si è verificata una condizione di hung-up.\\ + \const{EPOLLET} & Imposta la notifica in modalità \textit{edge + triggered} per il file descriptor associato.\\ + \const{EPOLLONESHOT}& Imposta la modalità \textit{one-shot} per il file + descriptor associato.\footnotemark\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Costanti che identificano i bit del campo \param{events} di + \struct{epoll\_event}.} + \label{tab:epoll_events} +\end{table} + +\footnotetext{questa modalità è disponibile solo a partire dal kernel 2.6.2.} + +Le modalità di utilizzo di \textit{epoll} prevedono che si definisca qual'è +l'insieme dei file descriptor da tenere sotto controllo tramite un certo +\textit{epoll descriptor} \param{epfd} attraverso una serie di chiamate a +\const{EPOLL\_CTL\_ADD}.\footnote{un difetto dell'interfaccia è che queste + chiamate devono essere ripetute per ciascun file descriptor, incorrendo in + una perdita di prestazioni qualora il numero di file descriptor sia molto + grande; per questo è stato proposto di introdurre come estensione una + funzione \func{epoll\_ctlv} che consenta di effettuare con una sola chiamata + le impostazioni per un blocco di file descriptor.} L'uso di +\const{EPOLL\_CTL\_MOD} consente in seguito di modificare le modalità di +osservazione di un file descriptor che sia già stato aggiunto alla lista di +osservazione. + +Le impostazioni di default prevedono che la notifica degli eventi richiesti +sia effettuata in modalità \textit{level triggered}, a meno che sul file +descriptor non si sia impostata la modalità \textit{edge triggered}, +registrandolo con \const{EPOLLET} attivo nel campo \var{events}. Si tenga +presente che è possibile tenere sotto osservazione uno stesso file descriptor +su due \textit{epoll descriptor} diversi, ed entrambi riceveranno le +notifiche, anche se questa pratica è sconsigliata. + +Qualora non si abbia più interesse nell'osservazione di un file descriptor lo +si può rimuovere dalla lista associata a \param{epfd} con +\const{EPOLL\_CTL\_DEL}; si tenga conto inoltre che i file descriptor sotto +osservazione che vengono chiusi sono eliminati dalla lista automaticamente e +non è necessario usare \const{EPOLL\_CTL\_DEL}. + +Infine una particolare modalità di notifica è quella impostata con +\const{EPOLLONESHOT}: a causa dell'implementazione di \textit{epoll} infatti +quando si è in modalità \textit{edge triggered} l'arrivo in rapida successione +di dati in blocchi separati\footnote{questo è tipico con i socket di rete, in + quanto i dati arrivano a pacchetti.} può causare una generazione di eventi +(ad esempio segnalazioni di dati in lettura disponibili) anche se la +condizione è già stata rilevata.\footnote{si avrebbe cioè una rottura della + logica \textit{edge triggered}.} + +Anche se la situazione è facile da gestire, la si può evitare utilizzando +\const{EPOLLONESHOT} per impostare la modalità \textit{one-shot}, in cui la +notifica di un evento viene effettuata una sola volta, dopo di che il file +descriptor osservato, pur restando nella lista di osservazione, viene +automaticamente disattivato,\footnote{la cosa avviene contestualmente al + ritorno di \func{epoll\_wait} a causa dell'evento in questione.} e per +essere riutilizzato dovrà essere riabilitato esplicitamente con una successiva +chiamata con \const{EPOLL\_CTL\_MOD}. + +Una volta impostato l'insieme di file descriptor che si vogliono osservare con +i relativi eventi, la funzione che consente di attendere l'occorrenza di uno +di tali eventi è \funcd{epoll\_wait}, il cui prototipo è: +\begin{prototype}{sys/epoll.h} + {int epoll\_wait(int epfd, struct epoll\_event * events, int maxevents, int + timeout)} + + Attende che uno dei file descriptor osservati sia pronto. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor pronti in + caso di successo o $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} + assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] il file descriptor \param{epfd} non è valido. + \item[\errcode{EFAULT}] il puntatore \param{events} non è valido. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima + della scadenza di \param{timeout}. + \item[\errcode{EINVAL}] il file descriptor \param{epfd} non è stato ottenuto + con \func{epoll\_create}, o \param{maxevents} non è maggiore di zero. + \end{errlist} +} +\end{prototype} + +La funzione si blocca in attesa di un evento per i file descriptor registrati +nella lista di osservazione di \param{epfd} fino ad un tempo massimo +specificato in millisecondi tramite l'argomento \param{timeout}. Gli eventi +registrati vengono riportati in un vettore di strutture \struct{epoll\_event} +(che deve essere stato allocato in precedenza) all'indirizzo indicato +dall'argomento \param{events}, fino ad un numero massimo di eventi impostato +con l'argomento \param{maxevents}. + +La funzione ritorna il numero di eventi rilevati, o un valore nullo qualora +sia scaduto il tempo massimo impostato con \param{timeout}. Per quest'ultimo, +oltre ad un numero di millisecondi, si può utilizzare il valore nullo, che +indica di non attendere e ritornare immediatamente,\footnote{anche in questo + caso il valore di ritorno sarà nullo.} o il valore $-1$, che indica +un'attesa indefinita. L'argomento \param{maxevents} dovrà invece essere sempre +un intero positivo. + +Come accennato la funzione restituisce i suoi risultati nel vettore di +strutture \struct{epoll\_event} puntato da \param{events}; in tal caso nel +campo \param{events} di ciascuna di esse saranno attivi i flag relativi agli +eventi accaduti, mentre nel campo \var{data} sarà restituito il valore che era +stato impostato per il file descriptor per cui si è verificato l'evento quando +questo era stato registrato con le operazioni \const{EPOLL\_CTL\_MOD} o +\const{EPOLL\_CTL\_ADD}, in questo modo il campo \var{data} consente di +identificare il file descriptor.\footnote{ed è per questo che, come accennato, + è consuetudine usare per \var{data} il valore del file descriptor stesso.} + +Si ricordi che le occasioni per cui \func{epoll\_wait} ritorna dipendono da +come si è impostata la modalità di osservazione (se \textit{level triggered} o +\textit{edge triggered}) del singolo file descriptor. L'interfaccia assicura +che se arrivano più eventi fra due chiamate successive ad \func{epoll\_wait} +questi vengano combinati. Inoltre qualora su un file descriptor fossero +presenti eventi non ancora notificati, e si effettuasse una modifica +dell'osservazione con \const{EPOLL\_CTL\_MOD} questi verrebbero riletti alla +luce delle modifiche. + +Si tenga presente infine che con l'uso della modalità \textit{edge triggered} +il ritorno di \func{epoll\_wait} indica un file descriptor è pronto e resterà +tale fintanto che non si sono completamente esaurite le operazioni su di esso. +Questa condizione viene generalmente rilevata dall'occorrere di un errore di +\errcode{EAGAIN} al ritorno di una \func{read} o una \func{write},\footnote{è + opportuno ricordare ancora una volta che l'uso dell'\textit{I/O multiplexing} + richiede di operare sui file in modalità non bloccante.} ma questa non è la +sola modalità possibile, ad esempio la condizione può essere riconosciuta +anche con il fatto che sono stati restituiti meno dati di quelli richiesti. + +Come già per \func{select} e \func{poll} anche per l'interfaccia di +\textit{epoll} si pone il problema di gestire l'attesa di segnali e di dati +contemponeamente, per far questo di nuovo è necessaria una variante della +funzione di attesa che consenta di reimpostare all'uscita una maschera di +segnali, analoga alle precedenti estensioni \func{pselect} e \func{ppoll}; in +questo caso la funzione si chiama \funcd{epoll\_pwait}\footnote{introdotta a + partire dal kernel 2.6.19.} ed il suo prototipo è: +\begin{prototype}{sys/epoll.h} + {int epoll\_pwait(int epfd, struct epoll\_event * events, int maxevents, + int timeout, const sigset\_t *sigmask)} + + Attende che uno dei file descriptor osservati sia pronto, mascherando i + segnali. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor pronti in + caso di successo o $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} + assumerà uno dei valori già visti con \funcd{epoll\_wait}. +} +\end{prototype} + +La funzione è del tutto analoga \funcd{epoll\_wait}, soltanto che alla sua +uscita viene ripristinata la maschera di segnali originale, sostituita durante +l'esecuzione da quella impostata con l'argomento \param{sigmask}; in sostanza +la chiamata a questa funzione è equivalente al seguente codice, eseguito però +in maniera atomica: +\includecodesnip{listati/epoll_pwait_means.c} + +Si tenga presente che come le precedenti funzioni di \textit{I/O multiplexing} +anche le funzioni dell'interfaccia di \textit{epoll} vengono utilizzate +prevalentemente con i server di rete, quando si devono tenere sotto +osservazione un gran numero di socket; per questo motivo rimandiamo di nuovo +la trattazione di un esempio concreto a quando avremo esaminato in dettaglio +le caratteristiche dei socket, in particolare si potrà trovare un programma +che utilizza questa interfaccia in sez.~\ref{sec:TCP_sock_multiplexing}. + +\itindend{epoll} + + +\section{L'accesso \textsl{asincrono} ai file} +\label{sec:file_asyncronous_access} + +Benché l'\textit{I/O multiplexing} sia stata la prima, e sia tutt'ora una fra +le più diffuse modalità di gestire l'I/O in situazioni complesse in cui si +debba operare su più file contemporaneamente, esistono altre modalità di +gestione delle stesse problematiche. In particolare sono importanti in questo +contesto le modalità di accesso ai file eseguibili in maniera +\textsl{asincrona}, quelle cioè in cui un processo non deve bloccarsi in +attesa della disponibilità dell'accesso al file, ma può proseguire +nell'esecuzione utilizzando invece un meccanismo di notifica asincrono (di +norma un segnale, ma esistono anche altre interfacce, come \itindex{inotify} +\textit{inotify}), per essere avvisato della possibilità di eseguire le +operazioni di I/O volute. + + +\subsection{Il \textit{Signal driven I/O}} +\label{sec:file_asyncronous_operation} + +\itindbeg{signal~driven~I/O} + +Abbiamo accennato in sez.~\ref{sec:file_open} che è possibile, attraverso +l'uso del flag \const{O\_ASYNC},\footnote{l'uso del flag di \const{O\_ASYNC} e + dei comandi \const{F\_SETOWN} e \const{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 impostando questo flag +attraverso l'uso di \func{fcntl} con il comando \const{F\_SETFL} (vedi +sez.~\ref{sec:file_fcntl}). In realtà parlare di apertura in modalità +asincrona non significa che le operazioni di lettura o scrittura del file +vengono eseguite in modo asincrono (tratteremo questo, che è ciò che più +propriamente viene chiamato \textsl{I/O asincrono}, in +sez.~\ref{sec:file_asyncronous_io}), quanto dell'attivazione un meccanismo di +notifica asincrona delle variazione dello stato del file descriptor aperto in +questo modo. + +Quello che succede è che per tutti i file posti in questa modalità\footnote{si + tenga presente però che essa non è utilizzabile con i file ordinari ma solo + con socket, file di terminale o pseudo terminale, ed anche, a partire dal + kernel 2.6, anche per fifo e pipe.} il sistema genera un apposito segnale, +\const{SIGIO}, tutte le volte che diventa possibile leggere o scrivere dal +file descriptor che si è posto in questa modalità. Inoltre è possibile, come +illustrato in sez.~\ref{sec:file_fcntl}, selezionare con il comando +\const{F\_SETOWN} di \func{fcntl} quale processo o quale gruppo di processi +dovrà ricevere il segnale. In questo modo diventa possibile effettuare le +operazioni di I/O in risposta alla ricezione del segnale, e non ci sarà più la +necessità di restare bloccati in attesa della disponibilità di accesso ai +file. + +% TODO: per i thread l'uso di F_SETOWN ha un significato diverso + +Per questo motivo Stevens, ed anche le pagine di manuale di Linux, chiamano +questa modalità ``\textit{Signal driven I/O}''. Si tratta di un'altra +modalità di gestione dell'I/O, alternativa all'uso di \itindex{epoll} +\textit{epoll},\footnote{anche se le prestazioni ottenute con questa tecnica + sono inferiori, il vantaggio è che questa modalità è utilizzabile anche con + kernel che non supportano \textit{epoll}, come quelli della serie 2.4, + ottenendo comunque prestazioni superiori a quelle che si hanno con + \func{poll} e \func{select}.} che consente di evitare l'uso delle funzioni +\func{poll} o \func{select} che, come illustrato in sez.~\ref{sec:file_epoll}, +quando vengono usate con un numero molto grande di file descriptor, non hanno +buone prestazioni. + +Tuttavia con l'implementazione classica dei segnali questa modalità di I/O +presenta notevoli problemi, dato che non è possibile determinare, quando i +file descriptor sono più di uno, qual è quello responsabile dell'emissione del +segnale. Inoltre dato che i segnali normali non si accodano (si ricordi quanto +illustrato in sez.~\ref{sec:sig_notification}), in presenza di più file +descriptor attivi contemporaneamente, più segnali emessi nello stesso momento +verrebbero notificati una volta sola. + +Linux però supporta le estensioni POSIX.1b dei segnali real-time, che vengono +accodati e che permettono di riconoscere il file descriptor che li ha emessi. +In questo caso infatti si può fare ricorso alle informazioni aggiuntive +restituite attraverso la struttura \struct{siginfo\_t}, utilizzando la forma +estesa \var{sa\_sigaction} del gestore installata con il flag +\const{SA\_SIGINFO} (si riveda quanto illustrato in +sez.~\ref{sec:sig_sigaction}). + +Per far questo però occorre utilizzare le funzionalità dei segnali real-time +(vedi sez.~\ref{sec:sig_real_time}) impostando esplicitamente con il comando +\const{F\_SETSIG} di \func{fcntl} un segnale real-time da inviare in caso di +I/O asincrono (il segnale predefinito è \const{SIGIO}). In questo caso il +gestore, tutte le volte che riceverà \const{SI\_SIGIO} come valore del campo +\var{si\_code}\footnote{il valore resta \const{SI\_SIGIO} qualunque sia il + segnale che si è associato all'I/O, ed indica appunto che il segnale è stato + generato a causa di attività di I/O.} di \struct{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 questi +ultimi 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, dato che i segnali real-time supportano +anche questa funzionalità. 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. + +Se infatti si eccedono le dimensioni di quest'ultima, il kernel, non potendo +più assicurare il comportamento corretto per un segnale real-time, invierà al +suo posto un solo \const{SIGIO}, su cui si saranno accumulati tutti i segnali +in eccesso, e si dovrà allora determinare con un ciclo quali sono i file +diventati attivi. L'unico modo per essere sicuri che questo non avvenga è di +impostare la lunghezza della coda dei segnali real-time ad una dimensione +identica al valore massimo del numero di file descriptor +utilizzabili.\footnote{vale a dire impostare il contenuto di + \procfile{/proc/sys/kernel/rtsig-max} allo stesso valore del contenuto di + \procfile{/proc/sys/fs/file-max}.} + +% TODO fare esempio che usa O_ASYNC + +\itindend{signal~driven~I/O} + + + +\subsection{I meccanismi di notifica asincrona.} +\label{sec:file_asyncronous_lease} + +Una delle domande più frequenti nella programmazione in ambiente unix-like è +quella di come fare a sapere quando un file viene modificato. La +risposta\footnote{o meglio la non risposta, tanto che questa nelle Unix FAQ + \cite{UnixFAQ} viene anche chiamata una \textit{Frequently Unanswered + Question}.} è che nell'architettura classica di Unix questo non è +possibile. Al contrario di altri sistemi operativi infatti un kernel unix-like +classico non prevedeva alcun meccanismo per cui un processo possa essere +\textsl{notificato} di eventuali modifiche avvenute su un file. Questo è il +motivo per cui i demoni devono essere \textsl{avvisati} in qualche +modo\footnote{in genere questo vien fatto inviandogli un segnale di + \const{SIGHUP} che, per una convenzione adottata dalla gran parte di detti + programmi, causa la rilettura della configurazione.} se il loro file di +configurazione è stato modificato, perché possano rileggerlo e riconoscere le +modifiche. + +Questa scelta è stata fatta perché provvedere un simile meccanismo a livello +generico per qualunque file comporterebbe un notevole aumento di complessità +dell'architettura della gestione dei file, il tutto per fornire una +funzionalità che serve soltanto in alcuni casi particolari. Dato che +all'origine di Unix i soli programmi che potevano avere una tale esigenza +erano i demoni, attenendosi a uno dei criteri base della progettazione, che +era di far fare al kernel solo le operazioni strettamente necessarie e +lasciare tutto il resto a processi in user space, non era stata prevista +nessuna funzionalità di notifica. + +Visto però il crescente interesse nei confronti di una funzionalità di questo +tipo, che è molto richiesta specialmente nello sviluppo dei programmi ad +interfaccia grafica, quando si deve presentare all'utente lo stato del +filesystem, sono state successivamente introdotte delle estensioni che +permettessero la creazione di meccanismi di notifica più efficienti dell'unica +soluzione disponibile con l'interfaccia tradizionale, che è quella del +\itindex{polling} \textit{polling}. + +Queste nuove funzionalità sono delle estensioni specifiche, non +standardizzate, che sono disponibili soltanto su Linux (anche se altri kernel +supportano meccanismi simili). Alcune di esse sono realizzate, e solo a +partire dalla versione 2.4 del kernel, attraverso l'uso di alcuni +\textsl{comandi} aggiuntivi per la funzione \func{fcntl} (vedi +sez.~\ref{sec:file_fcntl}), che divengono disponibili soltanto se si è +definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} prima di includere \file{fcntl.h}. + +\index{file!lease|(} + +La prima di queste funzionalità è quella del cosiddetto \textit{file lease}; +questo è un meccanismo che consente ad un processo, detto \textit{lease + holder}, di essere notificato quando un altro processo, chiamato a sua volta +\textit{lease breaker}, cerca di eseguire una \func{open} o una +\func{truncate} sul file del quale l'\textit{holder} detiene il +\textit{lease}. +La notifica avviene in maniera analoga a come illustrato in precedenza per +l'uso di \const{O\_ASYNC}: di default viene inviato al \textit{lease holder} +il segnale \const{SIGIO}, ma questo segnale può essere modificato usando il +comando \const{F\_SETSIG} di \func{fcntl}.\footnote{anche in questo caso si + può rispecificare lo stesso \const{SIGIO}.} Se si è fatto questo\footnote{è + in genere è opportuno farlo, come in precedenza, per utilizzare segnali + real-time.} e si è installato il gestore del segnale con \const{SA\_SIGINFO} +si riceverà nel campo \var{si\_fd} della struttura \struct{siginfo\_t} il +valore del file descriptor del file sul quale è stato compiuto l'accesso; in +questo modo un processo può mantenere anche più di un \textit{file lease}. + +Esistono due tipi di \textit{file lease}: di lettura (\textit{read lease}) e +di scrittura (\textit{write lease}). Nel primo caso la notifica avviene quando +un altro processo esegue l'apertura del file in scrittura o usa +\func{truncate} per troncarlo. Nel secondo caso la notifica avviene anche se +il file viene aperto in lettura; in quest'ultimo caso però il \textit{lease} +può essere ottenuto solo se nessun altro processo ha aperto lo stesso file. + +Come accennato in sez.~\ref{sec:file_fcntl} il comando di \func{fcntl} che +consente di acquisire un \textit{file lease} è \const{F\_SETLEASE}, che viene +utilizzato anche per rilasciarlo. In tal caso il file descriptor \param{fd} +passato a \func{fcntl} servirà come riferimento per il file su cui si vuole +operare, mentre per indicare il tipo di operazione (acquisizione o rilascio) +occorrerà specificare come valore dell'argomento \param{arg} di \func{fcntl} +uno dei tre valori di tab.~\ref{tab:file_lease_fctnl}. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|l|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{F\_RDLCK} & Richiede un \textit{read lease}.\\ + \const{F\_WRLCK} & Richiede un \textit{write lease}.\\ + \const{F\_UNLCK} & Rilascia un \textit{file lease}.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Costanti per i tre possibili valori dell'argomento \param{arg} di + \func{fcntl} quando usata con i comandi \const{F\_SETLEASE} e + \const{F\_GETLEASE}.} + \label{tab:file_lease_fctnl} +\end{table} + +Se invece si vuole conoscere lo stato di eventuali \textit{file lease} +occorrerà chiamare \func{fcntl} sul relativo file descriptor \param{fd} con il +comando \const{F\_GETLEASE}, e si otterrà indietro nell'argomento \param{arg} +uno dei valori di tab.~\ref{tab:file_lease_fctnl}, che indicheranno la +presenza del rispettivo tipo di \textit{lease}, o, nel caso di +\const{F\_UNLCK}, l'assenza di qualunque \textit{file lease}. + +Si tenga presente che un processo può mantenere solo un tipo di \textit{lease} +su un file, e che un \textit{lease} può essere ottenuto solo su file di dati +(pipe e dispositivi sono quindi esclusi). Inoltre un processo non privilegiato +può ottenere un \textit{lease} soltanto per un file appartenente ad un +\acr{uid} corrispondente a quello del processo. Soltanto un processo con +privilegi di amministratore (cioè con la \itindex{capabilities} capability +\const{CAP\_LEASE}, vedi sez.~\ref{sec:proc_capabilities}) può acquisire +\textit{lease} su qualunque file. + +Se su un file è presente un \textit{lease} quando il \textit{lease breaker} +esegue una \func{truncate} o una \func{open} che confligge con +esso,\footnote{in realtà \func{truncate} confligge sempre, mentre \func{open}, + se eseguita in sola lettura, non confligge se si tratta di un \textit{read + lease}.} la funzione si blocca\footnote{a meno di non avere aperto il file + con \const{O\_NONBLOCK}, nel qual caso \func{open} fallirebbe con un errore + di \errcode{EWOULDBLOCK}.} e viene eseguita la notifica al \textit{lease + holder}, così che questo possa completare le sue operazioni sul file e +rilasciare il \textit{lease}. In sostanza con un \textit{read lease} si +rilevano i tentativi di accedere al file per modificarne i dati da parte di un +altro processo, mentre con un \textit{write lease} si rilevano anche i +tentativi di accesso in lettura. Si noti comunque che le operazioni di +notifica avvengono solo in fase di apertura del file e non sulle singole +operazioni di lettura e scrittura. + +L'utilizzo dei \textit{file lease} consente al \textit{lease holder} di +assicurare la consistenza di un file, a seconda dei due casi, prima che un +altro processo inizi con le sue operazioni di scrittura o di lettura su di +esso. In genere un \textit{lease holder} che riceve una notifica deve +provvedere a completare le necessarie operazioni (ad esempio scaricare +eventuali buffer), per poi rilasciare il \textit{lease} così che il +\textit{lease breaker} possa eseguire le sue operazioni. Questo si fa con il +comando \const{F\_SETLEASE}, o rimuovendo il \textit{lease} con +\const{F\_UNLCK}, o, nel caso di \textit{write lease} che confligge con una +operazione di lettura, declassando il \textit{lease} a lettura con +\const{F\_RDLCK}. + +Se il \textit{lease holder} non provvede a rilasciare il \textit{lease} entro +il numero di secondi specificato dal parametro di sistema mantenuto in +\procfile{/proc/sys/fs/lease-break-time} sarà il kernel stesso a rimuoverlo (o +declassarlo) automaticamente.\footnote{questa è una misura di sicurezza per + evitare che un processo blocchi indefinitamente l'accesso ad un file + acquisendo un \textit{lease}.} Una volta che un \textit{lease} è stato +rilasciato o declassato (che questo sia fatto dal \textit{lease holder} o dal +kernel è lo stesso) le chiamate a \func{open} o \func{truncate} eseguite dal +\textit{lease breaker} rimaste bloccate proseguono automaticamente. + + +\index{file!dnotify|(} + +Benché possa risultare utile per sincronizzare l'accesso ad uno stesso file da +parte di più processi, l'uso dei \textit{file lease} non consente comunque di +risolvere il problema di rilevare automaticamente quando un file o una +directory vengono modificati, che è quanto necessario ad esempio ai programma +di gestione dei file dei vari desktop grafici. + +Per risolvere questo problema a partire dal kernel 2.4 è stata allora creata +un'altra interfaccia,\footnote{si ricordi che anche questa è una interfaccia + specifica di Linux che deve essere evitata se si vogliono scrivere programmi + portabili, e che le funzionalità illustrate sono disponibili soltanto se è + stata definita la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}.} chiamata \textit{dnotify}, +che consente di richiedere una notifica quando una directory, o uno qualunque +dei file in essa contenuti, viene modificato. Come per i \textit{file lease} +la notifica avviene di default attraverso il segnale \const{SIGIO}, ma se ne +può utilizzare un altro.\footnote{e di nuovo, per le ragioni già esposte in + precedenza, è opportuno che si utilizzino dei segnali real-time.} Inoltre, +come in precedenza, si potrà ottenere nel gestore del segnale il file +descriptor che è stato modificato tramite il contenuto della struttura +\struct{siginfo\_t}. + +\index{file!lease|)} + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{DN\_ACCESS} & Un file è stato acceduto, con l'esecuzione di una fra + \func{read}, \func{pread}, \func{readv}.\\ + \const{DN\_MODIFY} & Un file è stato modificato, con l'esecuzione di una + fra \func{write}, \func{pwrite}, \func{writev}, + \func{truncate}, \func{ftruncate}.\\ + \const{DN\_CREATE} & È stato creato un file nella directory, con + l'esecuzione di una fra \func{open}, \func{creat}, + \func{mknod}, \func{mkdir}, \func{link}, + \func{symlink}, \func{rename} (da un'altra + directory).\\ + \const{DN\_DELETE} & È stato cancellato un file dalla directory con + l'esecuzione di una fra \func{unlink}, \func{rename} + (su un'altra directory), \func{rmdir}.\\ + \const{DN\_RENAME} & È stato rinominato un file all'interno della + directory (con \func{rename}).\\ + \const{DN\_ATTRIB} & È stato modificato un attributo di un file con + l'esecuzione di una fra \func{chown}, \func{chmod}, + \func{utime}.\\ + \const{DN\_MULTISHOT}& Richiede una notifica permanente di tutti gli + eventi.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Le costanti che identificano le varie classi di eventi per i quali + si richiede la notifica con il comando \const{F\_NOTIFY} di \func{fcntl}.} + \label{tab:file_notify} +\end{table} + +Ci si può registrare per le notifiche dei cambiamenti al contenuto di una +certa directory eseguendo la funzione \func{fcntl} su un file descriptor +associato alla stessa con il comando \const{F\_NOTIFY}. In questo caso +l'argomento \param{arg} di \func{fcntl} serve ad indicare per quali classi +eventi si vuole ricevere la notifica, e prende come valore una maschera +binaria composta dall'OR aritmetico di una o più delle costanti riportate in +tab.~\ref{tab:file_notify}. + +A meno di non impostare in maniera esplicita una notifica permanente usando il +valore \const{DN\_MULTISHOT}, la notifica è singola: viene cioè inviata una +sola volta quando si verifica uno qualunque fra gli eventi per i quali la si è +richiesta. Questo significa che un programma deve registrarsi un'altra volta +se desidera essere notificato di ulteriori cambiamenti. Se si eseguono diverse +chiamate con \const{F\_NOTIFY} e con valori diversi per \param{arg} questi +ultimi si \textsl{accumulano}; cioè eventuali nuovi classi di eventi +specificate in chiamate successive vengono aggiunte a quelle già impostate +nelle precedenti. Se si vuole rimuovere la notifica si deve invece +specificare un valore nullo. + +\index{file!inotify|(} + +Il maggiore problema di \textit{dnotify} è quello della scalabilità: si deve +usare un file descriptor per ciascuna directory che si vuole tenere sotto +controllo, il che porta facilmente ad avere un eccesso di file aperti. Inoltre +quando la directory che si controlla è all'interno di un dispositivo +rimovibile, mantenere il relativo file descriptor aperto comporta +l'impossibilità di smontare il dispositivo e di rimuoverlo, il che in genere +complica notevolmente la gestione dell'uso di questi dispositivi. + +Un altro problema è che l'interfaccia di \textit{dnotify} consente solo di +tenere sotto controllo il contenuto di una directory; la modifica di un file +viene segnalata, ma poi è necessario verificare di quale file si tratta +(operazione che può essere molto onerosa quando una directory contiene un gran +numero di file). Infine l'uso dei segnali come interfaccia di notifica +comporta tutti i problemi di gestione visti in sez.~\ref{sec:sig_management} e +sez.~\ref{sec:sig_adv_control}. Per tutta questa serie di motivi in generale +quella di \textit{dnotify} viene considerata una interfaccia di usabilità +problematica. + +\index{file!dnotify|)} + +Per risolvere i problemi appena illustrati è stata introdotta una nuova +interfaccia per l'osservazione delle modifiche a file o directory, chiamata +\textit{inotify}.\footnote{l'interfaccia è disponibile a partire dal kernel + 2.6.13, le relative funzioni sono state introdotte nelle glibc 2.4.} Anche +questa è una interfaccia specifica di Linux (pertanto non deve essere usata se +si devono scrivere programmi portabili), ed è basata sull'uso di una coda di +notifica degli eventi associata ad un singolo file descriptor, il che permette +di risolvere il principale problema di \itindex{dnotify} \textit{dnotify}. La +coda viene creata attraverso la funzione \funcd{inotify\_init}, il cui +prototipo è: +\begin{prototype}{sys/inotify.h} + {int inotify\_init(void)} + + Inizializza una istanza di \textit{inotify}. + + \bodydesc{La funzione restituisce un file descriptor in caso di successo, o + $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EMFILE}] si è raggiunto il numero massimo di istanze di + \textit{inotify} consentite all'utente. + \item[\errcode{ENFILE}] si è raggiunto il massimo di file descriptor aperti + nel sistema. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è sufficiente memoria nel kernel per creare + l'istanza. + \end{errlist} +} +\end{prototype} + +La funzione non prende alcun argomento; inizializza una istanza di +\textit{inotify} e restituisce un file descriptor attraverso il quale verranno +effettuate le operazioni di notifica;\footnote{per evitare abusi delle risorse + di sistema è previsto che un utente possa utilizzare un numero limitato di + istanze di \textit{inotify}; il valore di default del limite è di 128, ma + questo valore può essere cambiato con \func{sysctl} o usando il file + \procfile{/proc/sys/fs/inotify/max\_user\_instances}.} si tratta di un file +descriptor speciale che non è associato a nessun file su disco, e che viene +utilizzato solo per notificare gli eventi che sono stati posti in +osservazione. Dato che questo file descriptor non è associato a nessun file o +directory reale, l'inconveniente di non poter smontare un filesystem i cui +file sono tenuti sotto osservazione viene completamente +eliminato.\footnote{anzi, una delle capacità dell'interfaccia di + \textit{inotify} è proprio quella di notificare il fatto che il filesystem + su cui si trova il file o la directory osservata è stato smontato.} + +Inoltre trattandosi di un file descriptor a tutti gli effetti, esso potrà +essere utilizzato come argomento per le funzioni \func{select} e \func{poll} e +con l'interfaccia di \textit{epoll};\footnote{ed a partire dal kernel 2.6.25 è + stato introdotto anche il supporto per il \itindex{signal~driven~I/O} + \texttt{signal-driven I/O} trattato in + sez.~\ref{sec:file_asyncronous_operation}.} siccome gli eventi vengono +notificati come dati disponibili in lettura, dette funzioni ritorneranno tutte +le volte che si avrà un evento di notifica. Così, invece di dover utilizzare i +segnali,\footnote{considerati una pessima scelta dal punto di vista + dell'interfaccia utente.} si potrà gestire l'osservazione degli eventi con +una qualunque delle modalità di \textit{I/O multiplexing} illustrate in +sez.~\ref{sec:file_multiplexing}. Qualora si voglia cessare l'osservazione, +sarà sufficiente chiudere il file descriptor e tutte le risorse allocate +saranno automaticamente rilasciate. + +Infine l'interfaccia di \textit{inotify} consente di mettere sotto +osservazione, oltre che una directory, anche singoli file. Una volta creata +la coda di notifica si devono definire gli eventi da tenere sotto +osservazione; questo viene fatto attraverso una \textsl{lista di osservazione} +(o \textit{watch list}) che è associata alla coda. Per gestire la lista di +osservazione l'interfaccia fornisce due funzioni, la prima di queste è +\funcd{inotify\_add\_watch}, il cui prototipo è: +\begin{prototype}{sys/inotify.h} + {int inotify\_add\_watch(int fd, const char *pathname, uint32\_t mask)} + + Aggiunge un evento di osservazione alla lista di osservazione di \param{fd}. + + \bodydesc{La funzione restituisce un valore positivo in caso di successo, o + $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EACCESS}] non si ha accesso in lettura al file indicato. + \item[\errcode{EINVAL}] \param{mask} non contiene eventi legali o \param{fd} + non è un file descriptor di \textit{inotify}. + \item[\errcode{ENOSPC}] si è raggiunto il numero massimo di voci di + osservazione o il kernel non ha potuto allocare una risorsa necessaria. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{EFAULT}, \errval{ENOMEM} e \errval{EBADF}.} +\end{prototype} + +La funzione consente di creare un ``\textsl{osservatore}'' (il cosiddetto +``\textit{watch}'') nella lista di osservazione di una coda di notifica, che +deve essere indicata specificando il file descriptor ad essa associato +nell'argomento \param{fd}.\footnote{questo ovviamente dovrà essere un file + descriptor creato con \func{inotify\_init}.} Il file o la directory da +porre sotto osservazione vengono invece indicati per nome, da passare +nell'argomento \param{pathname}. Infine il terzo argomento, \param{mask}, +indica che tipo di eventi devono essere tenuti sotto osservazione e le +modalità della stessa. L'operazione può essere ripetuta per tutti i file e le +directory che si vogliono tenere sotto osservazione,\footnote{anche in questo + caso c'è un limite massimo che di default è pari a 8192, ed anche questo + valore può essere cambiato con \func{sysctl} o usando il file + \procfile{/proc/sys/fs/inotify/max\_user\_watches}.} e si utilizzerà sempre +un solo file descriptor. + +Il tipo di evento che si vuole osservare deve essere specificato +nell'argomento \param{mask} come maschera binaria, combinando i valori delle +costanti riportate in tab.~\ref{tab:inotify_event_watch} che identificano i +singoli bit della maschera ed il relativo significato. In essa si sono marcati +con un ``$\bullet$'' gli eventi che, quando specificati per una directory, +vengono osservati anche su tutti i file che essa contiene. Nella seconda +parte della tabella si sono poi indicate alcune combinazioni predefinite dei +flag della prima parte. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|c|p{10cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{IN\_ACCESS} &$\bullet$& C'è stato accesso al file in + lettura.\\ + \const{IN\_ATTRIB} &$\bullet$& Ci sono stati cambiamenti sui dati + dell'inode (o sugli attributi + estesi, vedi + sez.~\ref{sec:file_xattr}).\\ + \const{IN\_CLOSE\_WRITE} &$\bullet$& È stato chiuso un file aperto in + scrittura.\\ + \const{IN\_CLOSE\_NOWRITE}&$\bullet$& È stato chiuso un file aperto in + sola lettura.\\ + \const{IN\_CREATE} &$\bullet$& È stato creato un file o una + directory in una directory sotto + osservazione.\\ + \const{IN\_DELETE} &$\bullet$& È stato cancellato un file o una + directory in una directory sotto + osservazione.\\ + \const{IN\_DELETE\_SELF} & -- & È stato cancellato il file (o la + directory) sotto osservazione.\\ + \const{IN\_MODIFY} &$\bullet$& È stato modificato il file.\\ + \const{IN\_MOVE\_SELF} & & È stato rinominato il file (o la + directory) sotto osservazione.\\ + \const{IN\_MOVED\_FROM} &$\bullet$& Un file è stato spostato fuori dalla + directory sotto osservazione.\\ + \const{IN\_MOVED\_TO} &$\bullet$& Un file è stato spostato nella + directory sotto osservazione.\\ + \const{IN\_OPEN} &$\bullet$& Un file è stato aperto.\\ + \hline + \const{IN\_CLOSE} & & Combinazione di + \const{IN\_CLOSE\_WRITE} e + \const{IN\_CLOSE\_NOWRITE}.\\ + \const{IN\_MOVE} & & Combinazione di + \const{IN\_MOVED\_FROM} e + \const{IN\_MOVED\_TO}.\\ + \const{IN\_ALL\_EVENTS} & & Combinazione di tutti i flag + possibili.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Le costanti che identificano i bit della maschera binaria + dell'argomento \param{mask} di \func{inotify\_add\_watch} che indicano il + tipo di evento da tenere sotto osservazione.} + \label{tab:inotify_event_watch} +\end{table} + +Oltre ai flag di tab.~\ref{tab:inotify_event_watch}, che indicano il tipo di +evento da osservare e che vengono utilizzati anche in uscita per indicare il +tipo di evento avvenuto, \func{inotify\_add\_watch} supporta ulteriori +flag,\footnote{i flag \const{IN\_DONT\_FOLLOW}, \const{IN\_MASK\_ADD} e + \const{IN\_ONLYDIR} sono stati introdotti a partire dalle glibc 2.5, se si + usa la versione 2.4 è necessario definirli a mano.} riportati in +tab.~\ref{tab:inotify_add_watch_flag}, che indicano le modalità di +osservazione (da passare sempre nell'argomento \param{mask}) e che al +contrario dei precedenti non vengono mai impostati nei risultati in uscita. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{IN\_DONT\_FOLLOW}& Non dereferenzia \param{pathname} se questo è un + link simbolico.\\ + \const{IN\_MASK\_ADD} & Aggiunge a quelli già impostati i flag indicati + nell'argomento \param{mask}, invece di + sovrascriverli.\\ + \const{IN\_ONESHOT} & Esegue l'osservazione su \param{pathname} per una + sola volta, rimuovendolo poi dalla \textit{watch + list}.\\ + \const{IN\_ONLYDIR} & Se \param{pathname} è una directory riporta + soltanto gli eventi ad essa relativi e non + quelli per i file che contiene.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Le costanti che identificano i bit della maschera binaria + dell'argomento \param{mask} di \func{inotify\_add\_watch} che indicano le + modalità di osservazione.} + \label{tab:inotify_add_watch_flag} +\end{table} + +Se non esiste nessun \textit{watch} per il file o la directory specificata +questo verrà creato per gli eventi specificati dall'argomento \param{mask}, +altrimenti la funzione sovrascriverà le impostazioni precedenti, a meno che +non si sia usato il flag \const{IN\_MASK\_ADD}, nel qual caso gli eventi +specificati saranno aggiunti a quelli già presenti. + +Come accennato quando si tiene sotto osservazione una directory vengono +restituite le informazioni sia riguardo alla directory stessa che ai file che +essa contiene; questo comportamento può essere disabilitato utilizzando il +flag \const{IN\_ONLYDIR}, che richiede di riportare soltanto gli eventi +relativi alla directory stessa. Si tenga presente inoltre che quando si +osserva una directory vengono riportati solo gli eventi sui file che essa +contiene direttamente, non quelli relativi a file contenuti in eventuali +sottodirectory; se si vogliono osservare anche questi sarà necessario creare +ulteriori \textit{watch} per ciascuna sottodirectory. + +Infine usando il flag \const{IN\_ONESHOT} è possibile richiedere una notifica +singola;\footnote{questa funzionalità però è disponibile soltanto a partire dal + kernel 2.6.16.} una volta verificatosi uno qualunque fra gli eventi +richiesti con \func{inotify\_add\_watch} l'\textsl{osservatore} verrà +automaticamente rimosso dalla lista di osservazione e nessun ulteriore evento +sarà più notificato. + +In caso di successo \func{inotify\_add\_watch} ritorna un intero positivo, +detto \textit{watch descriptor}, che identifica univocamente un +\textsl{osservatore} su una coda di notifica; esso viene usato per farvi +riferimento sia riguardo i risultati restituiti da \textit{inotify}, che per +la eventuale rimozione dello stesso. + +La seconda funzione per la gestione delle code di notifica, che permette di +rimuovere un \textsl{osservatore}, è \funcd{inotify\_rm\_watch}, ed il suo +prototipo è: +\begin{prototype}{sys/inotify.h} + {int inotify\_rm\_watch(int fd, uint32\_t wd)} + + Rimuove un \textsl{osservatore} da una coda di notifica. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, o $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] non si è specificato in \param{fd} un file descriptor + valido. + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{wd} non è corretto, o \param{fd} + non è associato ad una coda di notifica. + \end{errlist} +} +\end{prototype} + +La funzione rimuove dalla coda di notifica identificata dall'argomento +\param{fd} l'osservatore identificato dal \textit{watch descriptor} +\param{wd};\footnote{ovviamente deve essere usato per questo argomento un + valore ritornato da \func{inotify\_add\_watch}, altrimenti si avrà un errore + di \errval{EINVAL}.} in caso di successo della rimozione, contemporaneamente +alla cancellazione dell'osservatore, sulla coda di notifica verrà generato un +evento di tipo \const{IN\_IGNORED} (vedi +tab.~\ref{tab:inotify_read_event_flag}). Si tenga presente che se un file +viene cancellato o un filesystem viene smontato i relativi osservatori vengono +rimossi automaticamente e non è necessario utilizzare +\func{inotify\_rm\_watch}. + +Come accennato l'interfaccia di \textit{inotify} prevede che gli eventi siano +notificati come dati presenti in lettura sul file descriptor associato alla +coda di notifica. Una applicazione pertanto dovrà leggere i dati da detto file +con una \func{read}, che ritornerà sul buffer i dati presenti nella forma di +una o più strutture di tipo \struct{inotify\_event} (la cui definizione è +riportata in fig.~\ref{fig:inotify_event}). Qualora non siano presenti dati la +\func{read} si bloccherà (a meno di non aver impostato il file descriptor in +modalità non bloccante) fino all'arrivo di almeno un evento. + +\begin{figure}[!htb] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includestruct{listati/inotify_event.h} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{La struttura \structd{inotify\_event} usata dall'interfaccia di + \textit{inotify} per riportare gli eventi.} + \label{fig:inotify_event} +\end{figure} + +Una ulteriore caratteristica dell'interfaccia di \textit{inotify} è che essa +permette di ottenere con \func{ioctl}, come per i file descriptor associati ai +socket (si veda sez.~\ref{sec:sock_ioctl_IP}) il numero di byte disponibili in +lettura sul file descriptor, utilizzando su di esso l'operazione +\const{FIONREAD}.\footnote{questa è una delle operazioni speciali per i file + (vedi sez.~\ref{sec:file_ioctl}), che è disponibile solo per i socket e per + i file descriptor creati con \func{inotify\_init}.} Si può così utilizzare +questa operazione, oltre che per predisporre una operazione di lettura con un +buffer di dimensioni adeguate, anche per ottenere rapidamente il numero di +file che sono cambiati. + +Una volta effettuata la lettura con \func{read} a ciascun evento sarà +associata una struttura \struct{inotify\_event} contenente i rispettivi dati. +Per identificare a quale file o directory l'evento corrisponde viene +restituito nel campo \var{wd} il \textit{watch descriptor} con cui il relativo +osservatore è stato registrato. Il campo \var{mask} contiene invece una +maschera di bit che identifica il tipo di evento verificatosi; in essa +compariranno sia i bit elencati nella prima parte di +tab.~\ref{tab:inotify_event_watch}, che gli eventuali valori +aggiuntivi\footnote{questi compaiono solo nel campo \var{mask} di + \struct{inotify\_event}, e non utilizzabili in fase di registrazione + dell'osservatore.} di tab.~\ref{tab:inotify_read_event_flag}. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{IN\_IGNORED} & L'osservatore è stato rimosso, sia in maniera + esplicita con l'uso di \func{inotify\_rm\_watch}, + che in maniera implicita per la rimozione + dell'oggetto osservato o per lo smontaggio del + filesystem su cui questo si trova.\\ + \const{IN\_ISDIR} & L'evento avvenuto fa riferimento ad una directory + (consente così di distinguere, quando si pone + sotto osservazione una directory, fra gli eventi + relativi ad essa e quelli relativi ai file che + essa contiene).\\ + \const{IN\_Q\_OVERFLOW}& Si sono eccedute le dimensioni della coda degli + eventi (\textit{overflow} della coda); in questo + caso il valore di \var{wd} è $-1$.\footnotemark\\ + \const{IN\_UNMOUNT} & Il filesystem contenente l'oggetto posto sotto + osservazione è stato smontato.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Le costanti che identificano i bit aggiuntivi usati nella maschera + binaria del campo \var{mask} di \struct{inotify\_event}.} + \label{tab:inotify_read_event_flag} +\end{table} + +\footnotetext{la coda di notifica ha una dimensione massima specificata dal + parametro di sistema \procfile{/proc/sys/fs/inotify/max\_queued\_events} che + indica il numero massimo di eventi che possono essere mantenuti sulla + stessa; quando detto valore viene ecceduto gli ulteriori eventi vengono + scartati, ma viene comunque generato un evento di tipo + \const{IN\_Q\_OVERFLOW}.} + +Il campo \var{cookie} contiene invece un intero univoco che permette di +identificare eventi correlati (per i quali avrà lo stesso valore), al momento +viene utilizzato soltanto per rilevare lo spostamento di un file, consentendo +così all'applicazione di collegare la corrispondente coppia di eventi +\const{IN\_MOVED\_TO} e \const{IN\_MOVED\_FROM}. + +Infine due campi \var{name} e \var{len} sono utilizzati soltanto quando +l'evento è relativo ad un file presente in una directory posta sotto +osservazione, in tal caso essi contengono rispettivamente il nome del file +(come pathname relativo alla directory osservata) e la relativa dimensione in +byte. Il campo \var{name} viene sempre restituito come stringa terminata da +NUL, con uno o più zeri di terminazione, a seconda di eventuali necessità di +allineamento del risultato, ed il valore di \var{len} corrisponde al totale +della dimensione di \var{name}, zeri aggiuntivi compresi. La stringa con il +nome del file viene restituita nella lettura subito dopo la struttura +\struct{inotify\_event}; questo significa che le dimensioni di ciascun evento +di \textit{inotify} saranno pari a \code{sizeof(\struct{inotify\_event}) + + len}. + +Vediamo allora un esempio dell'uso dell'interfaccia di \textit{inotify} con un +semplice programma che permette di mettere sotto osservazione uno o più file e +directory. Il programma si chiama \texttt{inotify\_monitor.c} ed il codice +completo è disponibile coi sorgenti allegati alla guida, il corpo principale +del programma, che non contiene la sezione di gestione delle opzioni e le +funzioni di ausilio è riportato in fig.~\ref{fig:inotify_monitor_example}. + +\begin{figure}[!htbp] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includecodesample{listati/inotify_monitor.c} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{Esempio di codice che usa l'interfaccia di \textit{inotify}.} + \label{fig:inotify_monitor_example} +\end{figure} + +Una volta completata la scansione delle opzioni il corpo principale del +programma inizia controllando (\texttt{\small 11--15}) che sia rimasto almeno +un argomento che indichi quale file o directory mettere sotto osservazione (e +qualora questo non avvenga esce stampando la pagina di aiuto); dopo di che +passa (\texttt{\small 16--20}) all'inizializzazione di \textit{inotify} +ottenendo con \func{inotify\_init} il relativo file descriptor (oppure usce in +caso di errore). + +Il passo successivo è aggiungere (\texttt{\small 21--30}) alla coda di +notifica gli opportuni osservatori per ciascuno dei file o directory indicati +all'invocazione del comando; questo viene fatto eseguendo un ciclo +(\texttt{\small 22--29}) fintanto che la variabile \var{i}, inizializzata a +zero (\texttt{\small 21}) all'inizio del ciclo, è minore del numero totale di +argomenti rimasti. All'interno del ciclo si invoca (\texttt{\small 23}) +\func{inotify\_add\_watch} per ciascuno degli argomenti, usando la maschera +degli eventi data dalla variabile \var{mask} (il cui valore viene impostato +nella scansione delle opzioni), in caso di errore si esce dal programma +altrimenti si incrementa l'indice (\texttt{\small 29}). + +Completa l'inizializzazione di \textit{inotify} inizia il ciclo principale +(\texttt{\small 32--56}) del programma, nel quale si resta in attesa degli +eventi che si intendono osservare. Questo viene fatto eseguendo all'inizio del +ciclo (\texttt{\small 33}) una \func{read} che si bloccherà fintanto che non +si saranno verificati eventi. + +Dato che l'interfaccia di \textit{inotify} può riportare anche più eventi in +una sola lettura, si è avuto cura di passare alla \func{read} un buffer di +dimensioni adeguate, inizializzato in (\texttt{\small 7}) ad un valore di +approssimativamente 512 eventi.\footnote{si ricordi che la quantità di dati + restituita da \textit{inotify} è variabile a causa della diversa lunghezza + del nome del file restituito insieme a \struct{inotify\_event}.} In caso di +errore di lettura (\texttt{\small 35--40}) il programma esce con un messaggio +di errore (\texttt{\small 37--39}), a meno che non si tratti di una +interruzione della system call, nel qual caso (\texttt{\small 36}) si ripete la +lettura. + +Se la lettura è andata a buon fine invece si esegue un ciclo (\texttt{\small + 43--52}) per leggere tutti gli eventi restituiti, al solito si inizializza +l'indice \var{i} a zero (\texttt{\small 42}) e si ripetono le operazioni +(\texttt{\small 43}) fintanto che esso non supera il numero di byte restituiti +in lettura. Per ciascun evento all'interno del ciclo si assegna\footnote{si + noti come si sia eseguito un opportuno \textit{casting} del puntatore.} alla +variabile \var{event} l'indirizzo nel buffer della corrispondente struttura +\struct{inotify\_event} (\texttt{\small 44}), e poi si stampano il numero di +\textit{watch descriptor} (\texttt{\small 45}) ed il file a cui questo fa +riferimento (\texttt{\small 46}), ricavato dagli argomenti passati a riga di +comando sfruttando il fatto che i \textit{watch descriptor} vengono assegnati +in ordine progressivo crescente a partire da 1. + +Qualora sia presente il riferimento ad un nome di file associato all'evento lo +si stampa (\texttt{\small 47--49}); si noti come in questo caso si sia +utilizzato il valore del campo \var{event->len} e non al fatto che +\var{event->name} riporti o meno un puntatore nullo.\footnote{l'interfaccia + infatti, qualora il nome non sia presente, non avvalora il campo + \var{event->name}, che si troverà a contenere quello che era precedentemente + presente nella rispettiva locazione di memoria, nel caso più comune il + puntatore al nome di un file osservato in precedenza.} Si utilizza poi +(\texttt{\small 50}) la funzione \code{printevent}, che interpreta il valore +del campo \var{event->mask} per stampare il tipo di eventi +accaduti.\footnote{per il relativo codice, che non riportiamo in quanto non + essenziale alla comprensione dell'esempio, si possono utilizzare direttamente + i sorgenti allegati alla guida.} Infine (\texttt{\small 51}) si provvede ad +aggiornare l'indice \var{i} per farlo puntare all'evento successivo. + +Se adesso usiamo il programma per mettere sotto osservazione una directory, e +da un altro terminale eseguiamo il comando \texttt{ls} otterremo qualcosa del +tipo di: +\begin{verbatim} +piccardi@gethen:~/gapil/sources$ ./inotify_monitor -a /home/piccardi/gapil/ +Watch descriptor 1 +Observed event on /home/piccardi/gapil/ +IN_OPEN, +Watch descriptor 1 +Observed event on /home/piccardi/gapil/ +IN_CLOSE_NOWRITE, +\end{verbatim} + +I lettori più accorti si saranno resi conto che nel ciclo di lettura degli +eventi appena illustrato non viene trattato il caso particolare in cui la +funzione \func{read} restituisce in \var{nread} un valore nullo. Lo si è fatto +perché con \textit{inotify} il ritorno di una \func{read} con un valore nullo +avviene soltanto, come forma di avviso, quando si sia eseguita la funzione +specificando un buffer di dimensione insufficiente a contenere anche un solo +evento. Nel nostro caso le dimensioni erano senz'altro sufficienti, per cui +tale evenienza non si verificherà mai. + +Ci si potrà però chiedere cosa succede se il buffer è sufficiente per un +evento, ma non per tutti gli eventi verificatisi. Come si potrà notare nel +codice illustrato in precedenza non si è presa nessuna precauzione per +verificare che non ci fossero stati troncamenti dei dati. Anche in questo caso +il comportamento scelto è corretto, perché l'interfaccia di \textit{inotify} +garantisce automaticamente, anche quando ne sono presenti in numero maggiore, +di restituire soltanto il numero di eventi che possono rientrare completamente +nelle dimensioni del buffer specificato.\footnote{si avrà cioè, facendo + riferimento sempre al codice di fig.~\ref{fig:inotify_monitor_example}, che + \var{read} sarà in genere minore delle dimensioni di \var{buffer} ed uguale + soltanto qualora gli eventi corrispondano esattamente alle dimensioni di + quest'ultimo.} Se gli eventi sono di più saranno restituiti solo quelli che +entrano interamente nel buffer e gli altri saranno restituiti alla successiva +chiamata di \func{read}. + +Infine un'ultima caratteristica dell'interfaccia di \textit{inotify} è che gli +eventi restituiti nella lettura formano una sequenza ordinata, è cioè +garantito che se si esegue uno spostamento di un file gli eventi vengano +generati nella sequenza corretta. L'interfaccia garantisce anche che se si +verificano più eventi consecutivi identici (vale a dire con gli stessi valori +dei campi \var{wd}, \var{mask}, \var{cookie}, e \var{name}) questi vengono +raggruppati in un solo evento. + +\index{file!inotify|)} + +% TODO trattare fanotify, vedi http://lwn.net/Articles/339399/ e +% http://lwn.net/Articles/343346/ + + +\subsection{L'interfaccia POSIX per l'I/O asincrono} +\label{sec:file_asyncronous_io} + +Una modalità alternativa all'uso dell'\textit{I/O multiplexing} per gestione +dell'I/O simultaneo su molti file è costituita dal 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. + +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 \index{system~call~lente} 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 una interfaccia apposita per l'I/O asincrono vero +e proprio, che prevede un insieme di funzioni dedicate per la lettura e la +scrittura dei file, 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 \itindex{thread} \textit{thread}. Per le versioni del kernel meno recenti +esiste una implementazione di questa interfaccia fornita delle \acr{glibc}, +che è realizzata completamente in user space, ed è accessibile linkando i +programmi con la libreria \file{librt}. Nelle versioni più recenti (a partire +dalla 2.5.32) è stato introdotto direttamente nel kernel un nuovo layer per +l'I/O asincrono. + +Lo standard prevede che tutte le operazioni di I/O asincrono siano controllate +attraverso l'uso di una apposita struttura \struct{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 fig.~\ref{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} + \includestruct{listati/aiocb.h} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{La struttura \structd{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 @@ -474,7 +2729,7 @@ di I/O.\footnote{in generale perch piattaforma supporti questa caratteristica, questo viene indicato definendo le macro \macro{\_POSIX\_PRIORITIZED\_IO}, e \macro{\_POSIX\_PRIORITY\_SCHEDULING}.} La priorità viene impostata a -partire da quella del processo chiamante (vedi \secref{sec:proc_priority}), +partire da quella del processo chiamante (vedi sez.~\ref{sec:proc_priority}), cui viene sottratto il valore di questo campo. Il campo \var{aio\_lio\_opcode} è usato solo dalla funzione \func{lio\_listio}, che, come vedremo, permette di eseguire con una sola chiamata una serie di @@ -495,20 +2750,20 @@ si specifica quale Infine il campo \var{aio\_sigevent} è una struttura di tipo \struct{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}} +riportata in fig.~\ref{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{2.6cm}} \item[\const{SIGEV\_NONE}] Non viene inviata nessuna notifica. \item[\const{SIGEV\_SIGNAL}] La notifica viene effettuata inviando al processo chiamante il segnale specificato da \var{sigev\_signo}; se il gestore di questo è stato installato con \const{SA\_SIGINFO} gli verrà restituito il valore di \var{sigev\_value} (la cui definizione è in - \figref{fig:sig_sigval}) come valore del campo \var{si\_value} di + fig.~\ref{fig:sig_sigval}) come valore del campo \var{si\_value} di \struct{siginfo\_t}. \item[\const{SIGEV\_THREAD}] La notifica viene effettuata creando un nuovo - thread che esegue la funzione specificata da \var{sigev\_notify\_function} - con argomento \var{sigev\_value}, e con gli attributi specificati da - \var{sigev\_notify\_attribute}. + \itindex{thread} \textit{thread} che esegue la funzione specificata da + \var{sigev\_notify\_function} con argomento \var{sigev\_value}, e con gli + attributi specificati da \var{sigev\_notify\_attribute}. \end{basedescript} Le due funzioni base dell'interfaccia per l'I/O asincrono sono @@ -528,11 +2783,11 @@ appena descritta; i rispettivi prototipi sono: \bodydesc{Le funzioni restituiscono 0 in caso di successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] Si è specificato un file descriptor sbagliato. - \item[\errcode{ENOSYS}] La funzione non è implementata. - \item[\errcode{EINVAL}] Si è specificato un valore non valido per i campi + \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato. + \item[\errcode{ENOSYS}] la funzione non è implementata. + \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore non valido per i campi \var{aio\_offset} o \var{aio\_reqprio} di \param{aiocbp}. - \item[\errcode{EAGAIN}] La coda delle richieste è momentaneamente piena. + \item[\errcode{EAGAIN}] la coda delle richieste è momentaneamente piena. \end{errlist} } \end{functions} @@ -542,8 +2797,8 @@ richiesta, o in caso di errore. Non \errcode{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 +il file non sia stato aperto in \itindex{append~mode} \textit{append mode} +(vedi sez.~\ref{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 @@ -613,11 +2868,11 @@ esaurimento. Oltre alle operazioni di lettura e scrittura l'interfaccia POSIX.1b mette a disposizione un'altra operazione, quella di sincronizzazione dell'I/O, -compiuta dalla funzione \func{aio\_fsync}, che ha lo stesso effetto della +compiuta dalla funzione \funcd{aio\_fsync}, che ha lo stesso effetto della analoga \func{fsync}, ma viene eseguita in maniera asincrona; il suo prototipo è: \begin{prototype}{aio.h} -{ssize\_t aio\_return(int op, struct aiocb *aiocbp)} +{int aio\_fsync(int op, struct aiocb *aiocbp)} Richiede la sincronizzazione dei dati per il file indicato da \param{aiocbp}. @@ -633,7 +2888,7 @@ di lettura e scrittura. L'argomento \param{op} permette di indicare la modalità di esecuzione, se si specifica il valore \const{O\_DSYNC} le operazioni saranno completate con una chiamata a \func{fdatasync}, se si specifica \const{O\_SYNC} con una chiamata a \func{fsync} (per i dettagli vedi -\secref{sec:file_sync}). +sez.~\ref{sec:file_sync}). Il successo della chiamata assicura la sincronizzazione delle operazioni fino allora richieste, niente è garantito riguardo la sincronizzazione dei dati @@ -643,7 +2898,7 @@ 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 programma), per questo lo -standard POSIX.1b prevede una funzioni apposita, \funcd{aio\_cancel}, che +standard POSIX.1b prevede una funzione apposita, \funcd{aio\_cancel}, che permette di cancellare una operazione richiesta in precedenza; il suo prototipo è: \begin{prototype}{aio.h} @@ -664,10 +2919,9 @@ valore di \param{aiocbp}. Quando una operazione viene cancellata una successiva chiamata ad \func{aio\_error} riporterà \errcode{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}): +altro file descriptor il risultato è indeterminato. In caso di successo, i +possibili valori di ritorno per \func{aio\_cancel} (anch'essi definiti in +\file{aio.h}) sono tre: \begin{basedescript}{\desclabelwidth{3.0cm}} \item[\const{AIO\_ALLDONE}] indica che le operazioni di cui si è richiesta la cancellazione sono state già completate, @@ -700,10 +2954,10 @@ specifica operazione; il suo prototipo completate, e -1 in caso di errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro + \item[\errcode{EAGAIN}] nessuna operazione è stata completata entro \param{timeout}. - \item[\errcode{ENOSYS}] La funzione non è implementata. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{ENOSYS}] la funzione non è implementata. + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale. \end{errlist} } \end{prototype} @@ -731,163 +2985,108 @@ lettura o scrittura; il suo prototipo \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EAGAIN}] Nessuna operazione è stata completata entro + \item[\errcode{EAGAIN}] nessuna operazione è stata completata entro \param{timeout}. - \item[\errcode{EINVAL}] Si è passato un valore di \param{mode} non valido + \item[\errcode{EINVAL}] si è passato un valore di \param{mode} non valido o un numero di operazioni \param{nent} maggiore di \const{AIO\_LISTIO\_MAX}. - \item[\errcode{ENOSYS}] La funzione non è implementata. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale. + \item[\errcode{ENOSYS}] la funzione non è implementata. + \item[\errcode{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: +La funzione esegue la richiesta delle \param{nent} operazioni indicate nella +lista \param{list} che deve contenere gli indirizzi di altrettanti +\textit{control block} opportunamente inizializzati; in particolare dovrà +essere specificato il tipo di operazione con il campo \var{aio\_lio\_opcode}, +che può prendere i valori: \begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}} -\item[\const{LIO\_READ}] si richiede una operazione di lettura. -\item[\const{LIO\_WRITE}] si richiede una operazione di scrittura. -\item[\const{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 \const{LIO\_WAIT} la funzione si -blocca fino al completamento di tutte le operazioni richieste; se invece si -specifica \const{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, impostando l'argomento -\param{sig} in maniera analoga a come si fa per il campo \var{aio\_sigevent} -di \struct{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 però è stata dismessa per restare aderenti allo standard.} ha introdotto -due nuove system call, \funcd{readv} e \funcd{writev}, che permettono di -effettuare 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} - assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] si è specificato un file descriptor sbagliato. - \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore non valido per uno degli - argomenti (ad esempio \param{count} è maggiore di \const{MAX\_IOVEC}). - \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di - di avere eseguito una qualunque lettura o scrittura. - \item[\errcode{EAGAIN}] \param{fd} è stato aperto in modalità non bloccante e - non ci sono dati in lettura. - \item[\errcode{EOPNOTSUPP}] La coda delle richieste è momentaneamente piena. - \end{errlist} - ed inoltre \errval{EISDIR}, \errval{ENOMEM}, \errval{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} +\item[\const{LIO\_READ}] si richiede una operazione di lettura. +\item[\const{LIO\_WRITE}] si richiede una operazione di scrittura. +\item[\const{LIO\_NOP}] non si effettua nessuna operazione. +\end{basedescript} +dove \const{LIO\_NOP} viene usato quando si ha a che fare con un vettore di +dimensione fissa, per poter specificare solo alcune operazioni, o quando si +sono dovute cancellare delle operazioni e si deve ripetere la richiesta per +quelle non completate. -Entrambe le funzioni usano una struttura \struct{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. +L'argomento \param{mode} controlla il comportamento della funzione, se viene +usato il valore \const{LIO\_WAIT} la funzione si blocca fino al completamento +di tutte le operazioni richieste; se si usa \const{LIO\_NOWAIT} la funzione +ritorna immediatamente dopo aver messo in coda tutte le richieste. In tal caso +il chiamante può richiedere la notifica del completamento di tutte le +richieste, impostando l'argomento \param{sig} in maniera analoga a come si fa +per il campo \var{aio\_sigevent} di \struct{aiocb}. -\begin{figure}[!htb] - \footnotesize \centering - \begin{minipage}[c]{15cm} - \includestruct{listati/iovec.h} - \end{minipage} - \normalsize - \caption{La struttura \structd{iovec}, usata dalle operazioni di I/O - vettorizzato.} - \label{fig:file_iovec} -\end{figure} -I buffer da utilizzare sono indicati attraverso l'argomento \param{vector} che -è un vettore di strutture \struct{iovec}, la cui lunghezza è specificata da -\param{count}. Ciascuna struttura dovrà essere inizializzata per -opportunamente per indicare i vari buffer da/verso i quali verrà eseguito il -trasferimento dei dati. Essi verranno letti (o scritti) nell'ordine in cui li -si sono specificati nel vettore \param{vector}. +\section{Altre modalità di I/O avanzato} +\label{sec:file_advanced_io} + +Oltre alle precedenti modalità di \textit{I/O multiplexing} e \textsl{I/O + asincrono}, esistono altre funzioni che implementano delle modalità di +accesso ai file più evolute rispetto alle normali funzioni di lettura e +scrittura che abbiamo esaminato in sez.~\ref{sec:file_base_func}. In questa +sezione allora prenderemo in esame le interfacce per l'\textsl{I/O mappato in + memoria}, per l'\textsl{I/O vettorizzato} e altre funzioni di I/O avanzato. \subsection{File mappati in memoria} \label{sec:file_memory_map} +\itindbeg{memory~mapping} Una modalità alternativa di I/O, che usa una interfaccia completamente diversa -rispetto a quella classica vista in \capref{cha:file_unix_interface}, è il +rispetto a quella classica vista in cap.~\ref{cha:file_unix_interface}, è il cosiddetto \textit{memory-mapped I/O}, che, attraverso il meccanismo della -\textsl{paginazione}\index{paginazione} usato dalla memoria virtuale (vedi -\secref{sec:proc_mem_gen}), permette di \textsl{mappare} il contenuto di un -file in una sezione dello spazio di indirizzi del processo. Il meccanismo è -illustrato in \figref{fig:file_mmap_layout}, una sezione del file viene -riportata direttamente nello spazio degli indirizzi del programma. Tutte le -operazioni su questa zona verranno riportate indietro sul file dal meccanismo -della memoria virtuale che trasferirà il contenuto di quel segmento sul file -invece che nella swap, per cui si può parlare tanto di file mappato in -memoria, quanto di memoria mappata su file. +\textsl{paginazione} \index{paginazione} usato dalla memoria virtuale (vedi +sez.~\ref{sec:proc_mem_gen}), permette di \textsl{mappare} il contenuto di un +file in una sezione dello spazio di indirizzi del processo che lo ha allocato. \begin{figure}[htb] \centering - \includegraphics[width=7.cm]{img/mmap_layout} + \includegraphics[width=14cm]{img/mmap_layout} \caption{Disposizione della memoria di un processo quando si esegue la mappatura in memoria di un file.} \label{fig:file_mmap_layout} \end{figure} -Tutto questo comporta una notevole semplificazione delle operazioni di I/O, in -quanto non sarà più necessario utilizzare dei buffer intermedi su cui -appoggiare i dati da traferire, ma questi potranno essere acceduti -direttamente nella sezione di memoria mappata; inoltre questa interfaccia è -più efficiente 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, la sezione di memoria mappata su cui si opera sarà a sua volta letta -o scritta sul file una pagina alla volta e solo per le parti effettivamente -usate, il tutto in maniera completamente trasparente al processo; l'accesso -alle pagine non ancora caricate avverrà allo stesso modo con cui vengono -caricate in memoria le pagine che sono state salvate sullo swap. Infine 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, e non della memoria su -cui possono esserne lette delle porzioni. - -L'interfaccia prevede varie funzioni per la gestione del \textit{memory mapped - I/O}, la prima di queste è \funcd{mmap}, che serve ad eseguire la mappatura -in memoria di un file; il suo prototipo è: +Il meccanismo è illustrato in fig.~\ref{fig:file_mmap_layout}, una sezione del +file viene \textsl{mappata} direttamente nello spazio degli indirizzi del +programma. Tutte le operazioni di lettura e scrittura su variabili contenute +in questa zona di memoria verranno eseguite leggendo e scrivendo dal contenuto +del file attraverso il sistema della memoria virtuale \index{memoria~virtuale} +che in maniera analoga a quanto avviene per le pagine che vengono salvate e +rilette nella swap, si incaricherà di sincronizzare il contenuto di quel +segmento di memoria con quello del file mappato su di esso. Per questo motivo +si può parlare tanto di \textsl{file mappato in memoria}, quanto di +\textsl{memoria mappata su file}. + +L'uso del \textit{memory-mapping} comporta una notevole semplificazione delle +operazioni di I/O, in quanto non sarà più necessario utilizzare dei buffer +intermedi su cui appoggiare i dati da traferire, poiché questi potranno essere +acceduti direttamente nella sezione di memoria mappata; inoltre questa +interfaccia è più efficiente 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 +\index{memoria~virtuale} memoria virtuale, la sezione di memoria mappata su +cui si opera sarà a sua volta letta o scritta sul file una pagina alla volta e +solo per le parti effettivamente usate, il tutto in maniera completamente +trasparente al processo; l'accesso alle pagine non ancora caricate avverrà +allo stesso modo con cui vengono caricate in memoria le pagine che sono state +salvate sullo swap. + +Infine 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, e non della +memoria su cui possono esserne lette delle porzioni. + +L'interfaccia POSIX implementata da Linux prevede varie funzioni per la +gestione del \textit{memory mapped I/O}, la prima di queste, che serve ad +eseguire la mappatura in memoria di un file, è \funcd{mmap}; il suo prototipo +è: \begin{functions} \headdecl{unistd.h} @@ -896,29 +3095,36 @@ in memoria di un file; il suo prototipo \funcdecl{void * mmap(void * start, size\_t length, int prot, int flags, int fd, off\_t offset)} - Esegue la mappatura in memoria del file \param{fd}. + Esegue la mappatura in memoria della sezione specificata del file \param{fd}. \bodydesc{La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria mappata in caso di successo, e \const{MAP\_FAILED} (-1) in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EBADF}] Il file descriptor non è valido, e non si è usato + \item[\errcode{EBADF}] il file descriptor non è valido, e non si è usato \const{MAP\_ANONYMOUS}. \item[\errcode{EACCES}] o \param{fd} non si riferisce ad un file regolare, o si è usato \const{MAP\_PRIVATE} ma \param{fd} non è aperto in lettura, o si è usato \const{MAP\_SHARED} e impostato \const{PROT\_WRITE} ed \param{fd} non è aperto in lettura/scrittura, o si è impostato \const{PROT\_WRITE} ed \param{fd} è in \textit{append-only}. - \item[\errcode{EINVAL}] I valori di \param{start}, \param{length} o + \item[\errcode{EINVAL}] i valori di \param{start}, \param{length} o \param{offset} non sono validi (o troppo grandi o non allineati sulla dimensione delle pagine). - \item[\errcode{ETXTBSY}] Si è impostato \const{MAP\_DENYWRITE} ma + \item[\errcode{ETXTBSY}] si è impostato \const{MAP\_DENYWRITE} ma \param{fd} è aperto in scrittura. - \item[\errcode{EAGAIN}] Il file è bloccato, o si è bloccata troppa memoria. - \item[\errcode{ENOMEM}] Non c'è memoria o si è superato il limite sul + \item[\errcode{EAGAIN}] il file è bloccato, o si è bloccata troppa memoria + rispetto a quanto consentito dai limiti di sistema (vedi + sez.~\ref{sec:sys_resource_limit}). + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria o si è superato il limite sul numero di mappature possibili. - \item[\errcode{ENODEV}] Il filesystem di \param{fd} non supporta il memory + \item[\errcode{ENODEV}] il filesystem di \param{fd} non supporta il memory mapping. + \item[\errcode{EPERM}] l'argomento \param{prot} ha richiesto + \const{PROT\_EXEC}, ma il filesystem di \param{fd} è montato con + l'opzione \texttt{noexec}. + \item[\errcode{ENFILE}] si è superato il limite del sistema sul numero di + file aperti (vedi sez.~\ref{sec:sys_resource_limit}). \end{errlist} } \end{functions} @@ -948,30 +3154,30 @@ multiplo della dimensione di una pagina di memoria. \label{tab:file_mmap_prot} \end{table} - -Il valore dell'argomento \param{prot} indica la protezione\footnote{in Linux - la memoria reale è divisa in pagine: ogni processo vede la sua memoria - attraverso uno o più segmenti lineari di memoria virtuale. Per ciascuno di - questi segmenti il kernel mantiene nella \textit{page table} la mappatura - sulle pagine di memoria reale, ed le modalità di accesso (lettura, - esecuzione, scrittura); una loro violazione causa quella che si chiama una +Il valore dell'argomento \param{prot} indica la protezione\footnote{come + accennato in sez.~\ref{sec:proc_memory} in Linux la memoria reale è divisa + in pagine: ogni processo vede la sua memoria attraverso uno o più segmenti + lineari di memoria virtuale. Per ciascuno di questi segmenti il kernel + mantiene nella \itindex{page~table} \textit{page table} la mappatura sulle + pagine di memoria reale, ed le modalità di accesso (lettura, esecuzione, + scrittura); una loro violazione causa quella una \itindex{segment~violation} \textit{segment violation}, e la relativa emissione del segnale \const{SIGSEGV}.} da applicare al segmento di memoria e deve essere specificato come maschera binaria ottenuta dall'OR di uno o più dei valori -riportati in \tabref{tab:file_mmap_flag}; il valore specificato deve essere +riportati in tab.~\ref{tab:file_mmap_prot}; il valore specificato deve essere compatibile con la modalità di accesso con cui si è aperto il file. -L'argomento \param{flags} specifica infine qual'è il tipo di oggetto mappato, +L'argomento \param{flags} specifica infine qual è il tipo di oggetto mappato, le opzioni relative alle modalità con cui è effettuata la mappatura e alle modalità con cui le modifiche alla memoria mappata vengono condivise o mantenute private al processo che le ha effettuate. Deve essere specificato come maschera binaria ottenuta dall'OR di uno o più dei valori riportati in -\tabref{tab:file_mmap_flag}. +tab.~\ref{tab:file_mmap_flag}. \begin{table}[htb] \centering \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|} + \begin{tabular}[c]{|l|p{11cm}|} \hline \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ \hline @@ -980,89 +3186,110 @@ come maschera binaria ottenuta dall'OR di uno o pi da \param{start}, se questo non può essere usato \func{mmap} fallisce. Se si imposta questo flag il valore di \param{start} deve essere allineato - alle dimensioni di una pagina. \\ + alle dimensioni di una pagina.\\ \const{MAP\_SHARED} & I cambiamenti sulla memoria mappata vengono riportati sul file e saranno immediatamente visibili agli altri processi che mappano lo stesso file.\footnotemark Il file su disco però non sarà aggiornato fino alla chiamata di \func{msync} o - \func{unmap}), e solo allora le modifiche saranno + \func{munmap}), e solo allora le modifiche saranno visibili per l'I/O convenzionale. Incompatibile - con \const{MAP\_PRIVATE}. \\ + con \const{MAP\_PRIVATE}.\\ \const{MAP\_PRIVATE} & I cambiamenti sulla memoria mappata non vengono riportati sul file. Ne viene fatta una copia privata cui solo il processo chiamante ha accesso. Le modifiche sono mantenute attraverso - il meccanismo del - \textit{copy on write}\index{copy on write} e + il meccanismo del \textit{copy on + write} \itindex{copy~on~write} e salvate su swap in caso di necessità. Non è specificato se i cambiamenti sul file originale vengano riportati sulla regione - mappata. Incompatibile con \const{MAP\_SHARED}. \\ + mappata. Incompatibile con \const{MAP\_SHARED}.\\ \const{MAP\_DENYWRITE} & In Linux viene ignorato per evitare - \textit{DoS}\index{DoS} (veniva usato per - segnalare che tentativi di scrittura sul file - dovevano fallire con \errcode{ETXTBSY}).\\ - \const{MAP\_EXECUTABLE}& Ignorato. \\ + \textit{DoS} \itindex{Denial~of~Service~(DoS)} + (veniva usato per segnalare che tentativi di + scrittura sul file dovevano fallire con + \errcode{ETXTBSY}).\\ + \const{MAP\_EXECUTABLE}& Ignorato.\\ \const{MAP\_NORESERVE} & Si usa con \const{MAP\_PRIVATE}. Non riserva - delle pagine di swap ad uso del meccanismo di - \textit{copy on write}\index{copy on write} + delle pagine di swap ad uso del meccanismo del + \textit{copy on write} \itindex{copy~on~write} per mantenere le modifiche fatte alla regione mappata, in questo caso dopo una scrittura, se non c'è più memoria disponibile, si ha l'emissione di - un \const{SIGSEGV}. \\ + un \const{SIGSEGV}.\\ \const{MAP\_LOCKED} & Se impostato impedisce lo swapping delle pagine - mappate. \\ - \const{MAP\_GROWSDOWN} & Usato per gli stack. Indica - che la mappatura deve essere effettuata con gli - indirizzi crescenti verso il basso.\\ + mappate.\\ + \const{MAP\_GROWSDOWN} & Usato per gli \itindex{stack} \textit{stack}. + Indica che la mappatura deve essere effettuata + con gli indirizzi crescenti verso il basso.\\ \const{MAP\_ANONYMOUS} & La mappatura non è associata a nessun file. Gli argomenti \param{fd} e \param{offset} sono ignorati.\footnotemark\\ \const{MAP\_ANON} & Sinonimo di \const{MAP\_ANONYMOUS}, deprecato.\\ - \const{MAP\_FILE} & Valore di compatibilità, deprecato.\\ + \const{MAP\_FILE} & Valore di compatibilità, ignorato.\\ + \const{MAP\_32BIT} & Esegue la mappatura sui primi 2Gb dello spazio + degli indirizzi, viene supportato solo sulle + piattaforme \texttt{x86-64} per compatibilità con + le applicazioni a 32 bit. Viene ignorato se si è + richiesto \const{MAP\_FIXED}.\\ + \const{MAP\_POPULATE} & Esegue il \itindex{prefaulting} + \textit{prefaulting} delle pagine di memoria + necessarie alla mappatura.\\ + \const{MAP\_NONBLOCK} & Esegue un \textit{prefaulting} più limitato che + non causa I/O.\footnotemark\\ +% \const{MAP\_DONTEXPAND}& Non consente una successiva espansione dell'area +% mappata con \func{mremap}, proposto ma pare non +% implementato.\\ \hline \end{tabular} \caption{Valori possibili dell'argomento \param{flag} di \func{mmap}.} \label{tab:file_mmap_flag} \end{table} -\footnotetext{Dato che tutti faranno riferimento alle stesse pagine di +\footnotetext[68]{dato che tutti faranno riferimento alle stesse pagine di memoria.} -\footnotetext{L'uso di questo flag con \const{MAP\_SHARED} è - stato implementato in Linux a partire dai kernel della serie 2.4.x.} + +\footnotetext[69]{l'uso di questo flag con \const{MAP\_SHARED} è stato + implementato in Linux a partire dai kernel della serie 2.4.x; esso consente + di creare segmenti di memoria condivisa e torneremo sul suo utilizzo in + sez.~\ref{sec:ipc_mmap_anonymous}.} + +\footnotetext{questo flag ed il precedente \const{MAP\_POPULATE} sono stati + introdotti nel kernel 2.5.46 insieme alla mappatura non lineare di cui + parleremo più avanti.} Gli effetti dell'accesso ad una zona di memoria mappata su file possono essere piuttosto complessi, essi si possono comprendere solo tenendo presente che -tutto quanto è comunque basato sul basato sul meccanismo della memoria -virtuale. Questo comporta allora una serie di conseguenze. La più ovvia è che -se si cerca di scrivere su una zona mappata in sola lettura si avrà -l'emissione di un segnale di violazione di accesso (\const{SIGSEGV}), dato che -i permessi sul segmento di memoria relativo non consentono questo tipo di -accesso. +tutto quanto è comunque basato sul meccanismo della \index{memoria~virtuale} +memoria virtuale. Questo comporta allora una serie di conseguenze. La più +ovvia è che se si cerca di scrivere su una zona mappata in sola lettura si +avrà l'emissione di un segnale di violazione di accesso (\const{SIGSEGV}), +dato che i permessi sul segmento di memoria relativo non consentono questo +tipo di accesso. È invece assai diversa la questione relativa agli accessi al di fuori della regione di cui si è richiesta la mappatura. A prima vista infatti si potrebbe ritenere che anch'essi debbano generare un segnale di violazione di accesso; questo però non tiene conto del fatto che, essendo basata sul meccanismo della -paginazione\index{paginazione}, la mappatura in memoria non può che essere +\index{paginazione} paginazione, la mappatura in memoria non può che essere eseguita su un segmento di dimensioni rigorosamente multiple di quelle di una pagina, ed in generale queste potranno non corrispondere alle dimensioni -effettive del file o della sezione che si vuole mappare. Il caso più comune è -quello illustrato in \figref{fig:file_mmap_boundary}, in cui la sezione di -file non rientra nei confini di una pagina: in tal caso verrà il file sarà -mappato su un segmento di memoria che si estende fino al bordo della pagina -successiva. +effettive del file o della sezione che si vuole mappare. -\begin{figure}[htb] +\begin{figure}[!htb] \centering - \includegraphics[width=10cm]{img/mmap_boundary} + \includegraphics[height=6.5cm]{img/mmap_boundary} \caption{Schema della mappatura in memoria di una sezione di file di dimensioni non corrispondenti al bordo di una pagina.} \label{fig:file_mmap_boundary} \end{figure} +Il caso più comune è quello illustrato in fig.~\ref{fig:file_mmap_boundary}, +in cui la sezione di file non rientra nei confini di una pagina: in tal caso +verrà il file sarà mappato su un segmento di memoria che si estende fino al +bordo della pagina successiva. In questo caso è possibile accedere a quella zona di memoria che eccede le dimensioni specificate da \param{lenght}, senza ottenere un \const{SIGSEGV} @@ -1076,473 +3303,97 @@ file mappato sono pi file è stato troncato, dopo che è stato mappato, ad una dimensione inferiore a quella della mappatura in memoria. -\begin{figure}[htb] - \centering - \includegraphics[width=10cm]{img/mmap_exceed} - \caption{Schema della mappatura in memoria di file di dimensioni inferiori - alla lunghezza richiesta.} - \label{fig:file_mmap_exceed} -\end{figure} - In questa situazione, per la sezione di pagina parzialmente coperta dal contenuto del file, vale esattamente quanto visto in precedenza; invece per la parte che eccede, fino alle dimensioni date da \param{length}, l'accesso non sarà più possibile, ma il segnale emesso non sarà \const{SIGSEGV}, ma -\const{SIGBUS}, come illustrato in \figref{fig:file_mmap_exceed}. +\const{SIGBUS}, come illustrato in fig.~\ref{fig:file_mmap_exceed}. Non tutti i file possono venire mappati in memoria, dato che, come illustrato -in \figref{fig:file_mmap_layout}, la mappatura introduce una corrispondenza +in fig.~\ref{fig:file_mmap_layout}, la mappatura introduce una corrispondenza biunivoca fra una sezione di un file ed una sezione di memoria. Questo comporta che ad esempio non è possibile mappare in memoria file descriptor -relativi a pipe, socket e fifo, per i quali non ha senso parlare di -\textsl{sezione}. Lo stesso vale anche per alcuni file di dispositivo, che non -dispongono della relativa operazione \func{mmap} (si ricordi quanto esposto in -\secref{sec:file_vfs_work}). Si tenga presente però che esistono anche casi di -dispositivi (un esempio è l'interfaccia al ponte PCI-VME del chip Universe) -che sono utilizzabili solo con questa interfaccia. - -Dato che passando attraverso una \func{fork} lo spazio di indirizzi viene -copiato integralmente, i file mappati in memoria verranno ereditati in maniera -trasparente dal processo figlio, mantenendo gli stessi attributi avuti nel -padre; così se si è usato \const{MAP\_SHARED} padre e figlio accederanno allo -stesso file in maniera condivisa, mentre se si è usato \const{MAP\_PRIVATE} -ciascuno di essi manterrà una sua versione privata indipendente. Non c'è -invece nessun passaggio attraverso una \func{exec}, dato che quest'ultima -sostituisce tutto lo spazio degli indirizzi di un processo con quello di un -nuovo programma. - -Quando si effettua la mappatura di un file vengono pure modificati i tempi ad -esso associati (di cui si è trattato in \secref{sec:file_file_times}). Il -valore di \var{st\_atime} può venir cambiato in qualunque istante a partire -dal momento in cui la mappatura è stata effettuata: il primo riferimento ad -una pagina mappata su un file aggiorna questo tempo. I valori di -\var{st\_ctime} e \var{st\_mtime} possono venir cambiati solo quando si è -consentita la scrittura sul file (cioè per un file mappato con -\const{PROT\_WRITE} e \const{MAP\_SHARED}) e sono aggiornati dopo la scrittura -o in corrispondenza di una eventuale \func{msync}. - -Dato per i file mappati in memoria le operazioni di I/O sono gestite -direttamente dalla memoria virtuale, occorre essere consapevoli delle -interazioni che possono esserci con operazioni effettuate con l'interfaccia -standard dei file di \capref{cha:file_unix_interface}. Il problema è che una -volta che si è mappato un file, le operazioni di lettura e scrittura saranno -eseguite sulla memoria, e riportate su disco in maniera autonoma dal sistema -della memoria virtuale. - -Pertanto se si modifica un file con l'interfaccia standard queste modifiche -potranno essere visibili o meno a seconda del momento in cui la memoria -virtuale trasporterà dal disco in memoria quella sezione del file, perciò è -del tutto imprevedibile il risultato della modifica di un file nei confronti -del contenuto della memoria su cui è mappato. - -Per questo, è sempre sconsigliabile eseguire scritture su file attraverso -l'interfaccia standard, quando lo si è mappato in memoria, è invece possibile -usare l'interfaccia standard per leggere un file mappato in memoria, purché si -abbia una certa cura; infatti l'interfaccia dell'I/O mappato in memoria mette -a disposizione la funzione \funcd{msync} per sincronizzare il contenuto della -memoria mappata con il file su disco; il suo prototipo è: -\begin{functions} - \headdecl{unistd.h} - \headdecl{sys/mman.h} - - \funcdecl{int msync(const void *start, size\_t length, int flags)} - - Sincronizza i contenuti di una sezione di un file mappato in memoria. - - \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di - errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EINVAL}] O \param{start} non è multiplo di \const{PAGESIZE}, - o si è specificato un valore non valido per \param{flags}. - \item[\errcode{EFAULT}] L'intervallo specificato non ricade in una zona - precedentemente mappata. - \end{errlist} - } -\end{functions} - -La funzione esegue la sincronizzazione di quanto scritto nella sezione di -memoria indicata da \param{start} e \param{offset}, scrivendo le modifiche sul -file (qualora questo non sia già stato fatto). Provvede anche ad aggiornare i -relativi tempi di modifica. In questo modo si è sicuri che dopo l'esecuzione -di \func{msync} le funzioni dell'interfaccia standard troveranno un contenuto -del file aggiornato. - -\begin{table}[htb] - \centering - \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|l|} - \hline - \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ - \hline - \hline - \const{MS\_ASYNC} & Richiede la sincronizzazione.\\ - \const{MS\_SYNC} & Attende che la sincronizzazione si eseguita.\\ - \const{MS\_INVALIDATE}& Richiede che le altre mappature dello stesso file - siano invalidate.\\ - \hline - \end{tabular} - \caption{Valori dell'argomento \param{flag} di \func{msync}.} - \label{tab:file_mmap_rsync} -\end{table} - -L'argomento \param{flag} è specificato come maschera binaria composta da un OR -dei valori riportati in \tabref{tab:file_mmap_rsync}, di questi però -\const{MS\_ASYNC} e \const{MS\_SYNC} sono incompatibili; con il primo valore -infatti la funzione si limita ad inoltrare la richiesta di sincronizzazione al -meccanismo della memoria virtuale, ritornando subito, mentre con il secondo -attende che la sincronizzazione sia stata effettivamente eseguita. Il terzo -flag fa invalidare le pagine di cui si richiede la sincronizzazione per tutte -le mappature dello stesso file, così che esse possano essere immediatamente -aggiornate ai nuovi valori. - -Una volta che si sono completate le operazioni di I/O si può eliminare la -mappatura della memoria usando la funzione \funcd{munmap}, il suo prototipo è: -\begin{functions} - \headdecl{unistd.h} - \headdecl{sys/mman.h} - - \funcdecl{int munmap(void *start, size\_t length)} - - Rilascia la mappatura sulla sezione di memoria specificata. - - \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di - errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EINVAL}] L'intervallo specificato non ricade in una zona - precedentemente mappata. - \end{errlist} - } -\end{functions} - -La funzione cancella la mappatura per l'intervallo specificato attraverso -\param{start} e \param{length}, ed ogni successivo accesso a tale regione -causerà un errore di accesso in memoria. L'argomento \param{start} deve essere -allineato alle dimensioni di una pagina di memoria, e la mappatura di tutte le -pagine contenute (anche parzialmente) nell'intervallo indicato, verrà rimossa. -Indicare un intervallo che non contiene pagine mappate non è un errore. - -Alla conclusione del processo, ogni pagina mappata verrà automaticamente -rilasciata, mentre la chiusura del file descriptor usato per effettuare la -mappatura in memoria non ha alcun effetto sulla stessa. - - -\section{Il file locking} -\label{sec:file_locking} - -\index{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\index{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 \textit{file locking} che è stata implementata nei -sistemi unix-like è quella che viene usualmente chiamata \textit{advisory - locking},\footnote{Stevens in \cite{APUE} fa riferimento a questo argomento - come al \textit{record locking}, dizione utilizzata anche dal manuale delle - \acr{glibc}; nelle pagine di manuale si parla di \textit{discretionary file - lock} per \func{fcntl} e di \textit{advisory locking} per \func{flock}, - mentre questo nome viene usato da Stevens per riferirsi al \textit{file - locking} POSIX. Dato che la dizione \textit{record locking} è quantomeno - ambigua, in quanto in un sistema Unix non esiste niente che possa fare - riferimento al concetto di \textit{record}, alla fine si è scelto di - mantenere il nome \textit{advisory locking}.} in quanto sono i singoli -processi, e non il sistema, che si incaricano di asserire e verificare se -esistono delle condizioni di blocco per l'accesso ai file. Questo significa -che le funzioni \func{read} o \func{write} vengono eseguite comunque e non -risentono affatto della presenza di un eventuale \textit{lock}; pertanto è -sempre compito dei vari processi che intendono usare il file locking, -controllare esplicitamente lo stato dei file condivisi prima di accedervi, -utilizzando le relative funzioni. - -In generale si distinguono due tipologie di \textit{file lock}:\footnote{di - seguito ci riferiremo sempre ai blocchi di accesso ai file con la - nomenclatura inglese di \textit{file lock}, o più brevemente con - \textit{lock}, per evitare confusioni linguistiche con il blocco di un - processo (cioè la condizione in cui il processo viene posto in stato di - \textit{sleep}).} la prima è il cosiddetto \textit{shared lock}, detto anche -\textit{read lock} in quanto serve a bloccare l'accesso in scrittura su un -file affinché il suo contenuto non venga modificato mentre lo si legge. Si -parla appunto di \textsl{blocco condiviso} in quanto più processi possono -richiedere contemporaneamente uno \textit{shared lock} su un file per -proteggere il loro accesso in lettura. - -La seconda tipologia è il cosiddetto \textit{exclusive lock}, detto anche -\textit{write lock} in quanto serve a bloccare l'accesso su un file (sia in -lettura che in scrittura) da parte di altri processi mentre lo si sta -scrivendo. Si parla di \textsl{blocco esclusivo} appunto perché un solo -processo alla volta può richiedere un \textit{exclusive lock} su un file per -proteggere il suo accesso in scrittura. - -\begin{table}[htb] - \centering - \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|c|c|c|} - \hline - \textbf{Richiesta} & \multicolumn{3}{|c|}{\textbf{Stato del file}}\\ - \cline{2-4} - &Nessun lock&\textit{Read lock}&\textit{Write lock}\\ - \hline - \hline - \textit{Read lock} & SI & SI & NO \\ - \textit{Write lock}& SI & NO & NO \\ - \hline - \end{tabular} - \caption{Tipologie di file locking.} - \label{tab:file_file_lock} -\end{table} - -In Linux sono disponibili due interfacce per utilizzare l'\textit{advisory - locking}, la prima è quella derivata da BSD, che è basata sulla funzione -\func{flock}, la seconda è quella standardizzata da POSIX.1 (derivata da -System V), che è basata sulla funzione \func{fcntl}. I \textit{file lock} -sono implementati in maniera completamente indipendente nelle due interfacce, -che pertanto possono coesistere senza interferenze. - -Entrambe le interfacce prevedono la stessa procedura di funzionamento: si -inizia sempre con il richiedere l'opportuno \textit{file lock} (un -\textit{exclusive lock} per una scrittura, uno \textit{shared lock} per una -lettura) prima di eseguire l'accesso ad un file. Se il lock viene acquisito -il processo prosegue l'esecuzione, altrimenti (a meno di non aver richiesto un -comportamento non bloccante) viene posto in stato di sleep. Una volta finite -le operazioni sul file si deve provvedere a rimuovere il lock. La situazione -delle varie possibilità è riassunta in \tabref{tab:file_file_lock}, dove si -sono riportati, per le varie tipologie di lock presenti su un file, il -risultato che si ha in corrispondenza alle due tipologie di \textit{file lock} -menzionate, nel successo della richiesta. - -Si tenga presente infine che il controllo di accesso e la gestione dei -permessi viene effettuata quando si apre un file, l'unico controllo residuo -che si può avere riguardo il \textit{file locking} è che il tipo di lock che -si vuole ottenere su un file deve essere compatibile con le modalità di -apertura dello stesso (in lettura per un read lock e in scrittura per un write -lock). - -%% Si ricordi che -%% la condizione per acquisire uno \textit{shared lock} è che il file non abbia -%% già un \textit{exclusive lock} attivo, mentre per acquisire un -%% \textit{exclusive lock} non deve essere presente nessun tipo di blocco. - - -\subsection{La funzione \func{flock}} -\label{sec:file_flock} - -La prima interfaccia per il file locking, quella derivata da BSD, permette di -eseguire un blocco solo su un intero file; la funzione usata per richiedere e -rimuovere un \textit{file lock} è \funcd{flock}, ed il suo prototipo è: -\begin{prototype}{sys/file.h}{int flock(int fd, int operation)} - - Applica o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. - - \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di - errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: - \begin{errlist} - \item[\errcode{EWOULDBLOCK}] Il file ha già un blocco attivo, e si è - specificato \const{LOCK\_NB}. - \end{errlist} - } -\end{prototype} - -La funzione può essere usata per acquisire o rilasciare un \textit{file lock} -a seconda di quanto specificato tramite il valore dell'argomento -\param{operation}, questo viene interpretato come maschera binaria, e deve -essere passato utilizzando le costanti riportate in -\tabref{tab:file_flock_operation}. - -\begin{table}[htb] - \centering - \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|l|} - \hline - \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ - \hline - \hline - \const{LOCK\_SH} & Asserisce uno \textit{shared lock} sul file.\\ - \const{LOCK\_EX} & Asserisce un \textit{esclusive lock} sul file.\\ - \const{LOCK\_UN} & Rilascia il \textit{file lock}.\\ - \const{LOCK\_NB} & Impedisce che la funzione si blocchi nella - richiesta di un \textit{file lock}.\\ - \hline - \end{tabular} - \caption{Valori dell'argomento \param{operation} di \func{flock}.} - \label{tab:file_flock_operation} -\end{table} - -I primi due valori, \const{LOCK\_SH} e \const{LOCK\_EX} permettono di -richiedere un \textit{file lock}, ed ovviamente devono essere usati in maniera -alternativa. Se si specifica anche \const{LOCK\_NB} la funzione non si -bloccherà qualora il lock non possa essere acquisito, ma ritornerà subito con -un errore di \errcode{EWOULDBLOCK}. Per rilasciare un lock si dovrà invece -usare \const{LOCK\_UN}. - -La semantica del file locking di BSD è diversa da quella del file locking -POSIX, in particolare per quanto riguarda il comportamento dei lock nei -confronti delle due funzioni \func{dup} e \func{fork}. Per capire queste -differenze occorre descrivere con maggiore dettaglio come viene realizzato il -file locking nel kernel in entrambe le interfacce. - -In \figref{fig:file_flock_struct} si è riportato uno schema essenziale -dell'implementazione del file locking in stile BSD in Linux; il punto -fondamentale da capire è che un lock, qualunque sia l'interfaccia che si usa, -anche se richiesto attraverso un file descriptor, agisce sempre su un file; -perciò le informazioni relative agli eventuali \textit{file lock} sono -mantenute a livello di inode\index{inode},\footnote{in particolare, come - accennato in \figref{fig:file_flock_struct}, i \textit{file lock} sono - mantenuti un una \textit{linked list}\index{linked list} di strutture - \struct{file\_lock}. La lista è referenziata dall'indirizzo di partenza - mantenuto dal campo \var{i\_flock} della struttura \struct{inode} (per le - definizioni esatte si faccia riferimento al file \file{fs.h} nei sorgenti - del kernel). Un bit del campo \var{fl\_flags} di specifica se si tratta di - un lock in semantica BSD (\const{FL\_FLOCK}) o POSIX (\const{FL\_POSIX}).} -dato che questo è l'unico riferimento in comune che possono avere due processi -diversi che aprono lo stesso file. +relativi a pipe, socket e fifo, per i quali non ha senso parlare di +\textsl{sezione}. Lo stesso vale anche per alcuni file di dispositivo, che non +dispongono della relativa operazione \func{mmap} (si ricordi quanto esposto in +sez.~\ref{sec:file_vfs_work}). Si tenga presente però che esistono anche casi +di dispositivi (un esempio è l'interfaccia al ponte PCI-VME del chip Universe) +che sono utilizzabili solo con questa interfaccia. \begin{figure}[htb] \centering - \includegraphics[width=14cm]{img/file_flock} - \caption{Schema dell'architettura del file locking, nel caso particolare - del suo utilizzo da parte dalla funzione \func{flock}.} - \label{fig:file_flock_struct} + \includegraphics[height=6cm]{img/mmap_exceed} + \caption{Schema della mappatura in memoria di file di dimensioni inferiori + alla lunghezza richiesta.} + \label{fig:file_mmap_exceed} \end{figure} -La richiesta di un file lock prevede una scansione della lista per determinare -se l'acquisizione è possibile, ed in caso positivo l'aggiunta di un nuovo -elemento.\footnote{cioè una nuova struttura \struct{file\_lock}.} Nel caso -dei lock creati con \func{flock} la semantica della funzione prevede che sia -\func{dup} che \func{fork} non creino ulteriori istanze di un file lock quanto -piuttosto degli ulteriori riferimenti allo stesso. Questo viene realizzato dal -kernel secondo lo schema di \figref{fig:file_flock_struct}, associando ad ogni -nuovo \textit{file lock} un puntatore\footnote{il puntatore è mantenuto nel - campo \var{fl\_file} di \struct{file\_lock}, e viene utilizzato solo per i - lock creati con la semantica BSD.} alla voce nella \textit{file table} da -cui si è richiesto il lock, che così ne identifica il titolare. - -Questa struttura prevede che, quando si richiede la rimozione di un file lock, -il kernel acconsenta solo se la richiesta proviene da un file descriptor che -fa riferimento ad una voce nella file table corrispondente a quella registrata -nel lock. Allora se ricordiamo quanto visto in \secref{sec:file_dup} e -\secref{sec:file_sharing}, e cioè che i file descriptor duplicati e quelli -ereditati in un processo figlio puntano sempre alla stessa voce nella file -table, si può capire immediatamente quali sono le conseguenze nei confronti -delle funzioni \func{dup} e \func{fork}. - -Sarà così possibile rimuovere un file lock attraverso uno qualunque dei file -descriptor che fanno riferimento alla stessa voce nella file table, anche se -questo è diverso da quello con cui lo si è creato,\footnote{attenzione, questo - non vale se il file descriptor fa riferimento allo stesso file, ma - attraverso una voce diversa della file table, come accade tutte le volte che - si apre più volte lo stesso file.} o se si esegue la rimozione in un -processo figlio; inoltre una volta tolto un file lock, la rimozione avrà -effetto su tutti i file descriptor che condividono la stessa voce nella file -table, e quindi, nel caso di file descriptor ereditati attraverso una -\func{fork}, anche su processi diversi. +Dato che passando attraverso una \func{fork} lo spazio di indirizzi viene +copiato integralmente, i file mappati in memoria verranno ereditati in maniera +trasparente dal processo figlio, mantenendo gli stessi attributi avuti nel +padre; così se si è usato \const{MAP\_SHARED} padre e figlio accederanno allo +stesso file in maniera condivisa, mentre se si è usato \const{MAP\_PRIVATE} +ciascuno di essi manterrà una sua versione privata indipendente. Non c'è +invece nessun passaggio attraverso una \func{exec}, dato che quest'ultima +sostituisce tutto lo spazio degli indirizzi di un processo con quello di un +nuovo programma. -Infine, per evitare che la terminazione imprevista di un processo lasci attivi -dei file lock, quando un file viene chiuso il kernel provveda anche a -rimuovere tutti i lock ad esso associati. Anche in questo caso occorre tenere -presente cosa succede quando si hanno file descriptor duplicati; in tal caso -infatti il file non verrà effettivamente chiuso (ed il lock rimosso) fintanto -che non viene rilasciata la relativa voce nella file table; e questo avverrà -solo quando tutti i file descriptor che fanno riferimento alla stessa voce -sono stati chiusi. Quindi, nel caso ci siano duplicati o processi figli che -mantengono ancora aperto un file descriptor, il lock non viene rilasciato. - -Si tenga presente infine che \func{flock} non è in grado di funzionare per i -file mantenuti su NFS, in questo caso, se si ha la necessità di eseguire il -\textit{file locking}, occorre usare l'interfaccia basata su \func{fcntl} che -può funzionare anche attraverso NFS, a condizione che sia il client che il -server supportino questa funzionalità. - +Quando si effettua la mappatura di un file vengono pure modificati i tempi ad +esso associati (di cui si è trattato in sez.~\ref{sec:file_file_times}). Il +valore di \var{st\_atime} può venir cambiato in qualunque istante a partire +dal momento in cui la mappatura è stata effettuata: il primo riferimento ad +una pagina mappata su un file aggiorna questo tempo. I valori di +\var{st\_ctime} e \var{st\_mtime} possono venir cambiati solo quando si è +consentita la scrittura sul file (cioè per un file mappato con +\const{PROT\_WRITE} e \const{MAP\_SHARED}) e sono aggiornati dopo la scrittura +o in corrispondenza di una eventuale \func{msync}. -\subsection{Il file locking POSIX} -\label{sec:file_posix_lock} +Dato per i file mappati in memoria le operazioni di I/O sono gestite +direttamente dalla \index{memoria~virtuale}memoria virtuale, occorre essere +consapevoli delle interazioni che possono esserci con operazioni effettuate +con l'interfaccia standard dei file di cap.~\ref{cha:file_unix_interface}. Il +problema è che una volta che si è mappato un file, le operazioni di lettura e +scrittura saranno eseguite sulla memoria, e riportate su disco in maniera +autonoma dal sistema della memoria virtuale. -La seconda interfaccia per l'\textit{advisory locking} disponibile in Linux è -quella standardizzata da POSIX, basata sulla funzione \func{fcntl}. Abbiamo -già trattato questa funzione nelle sue molteplici possibilità di utilizzo in -\secref{sec:file_fcntl}. Quando la si impiega per il \textit{file locking} -essa viene usata solo secondo il prototipo: -\begin{prototype}{fcntl.h}{int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock)} +Pertanto se si modifica un file con l'interfaccia standard queste modifiche +potranno essere visibili o meno a seconda del momento in cui la memoria +virtuale trasporterà dal disco in memoria quella sezione del file, perciò è +del tutto imprevedibile il risultato della modifica di un file nei confronti +del contenuto della memoria su cui è mappato. + +Per questo, è sempre sconsigliabile eseguire scritture su file attraverso +l'interfaccia standard, quando lo si è mappato in memoria, è invece possibile +usare l'interfaccia standard per leggere un file mappato in memoria, purché si +abbia una certa cura; infatti l'interfaccia dell'I/O mappato in memoria mette +a disposizione la funzione \funcd{msync} per sincronizzare il contenuto della +memoria mappata con il file su disco; il suo prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{unistd.h} + \headdecl{sys/mman.h} + + \funcdecl{int msync(const void *start, size\_t length, int flags)} - Applica o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. + Sincronizza i contenuti di una sezione di un file mappato in memoria. \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di - errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EACCES}] L'operazione è proibita per la presenza di - \textit{file lock} da parte di altri processi. - \item[\errcode{ENOLCK}] Il sistema non ha le risorse per il locking: ci - sono troppi segmenti di lock aperti, si è esaurita la tabella dei lock, - o il protocollo per il locking remoto è fallito. - \item[\errcode{EDEADLK}] Si è richiesto un lock su una regione bloccata da - un altro processo che è a sua volta in attesa dello sblocco di un lock - mantenuto dal processo corrente; si avrebbe pertanto un - \textit{deadlock}\index{deadlock}. Non è garantito che il sistema - riconosca sempre questa situazione. - \item[\errcode{EINTR}] La funzione è stata interrotta da un segnale prima - di poter acquisire un lock. + \item[\errcode{EINVAL}] o \param{start} non è multiplo di + \const{PAGE\_SIZE}, o si è specificato un valore non valido per + \param{flags}. + \item[\errcode{EFAULT}] l'intervallo specificato non ricade in una zona + precedentemente mappata. \end{errlist} - ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EFAULT}. } -\end{prototype} - -Al contrario di quanto avviene con l'interfaccia basata su \func{flock} con -\func{fcntl} è possibile bloccare anche delle singole sezioni di un file, fino -al singolo byte. Inoltre la funzione permette di ottenere alcune informazioni -relative agli eventuali lock preesistenti. Per poter fare tutto questo la -funzione utilizza come terzo argomento una apposita struttura \struct{flock} -(la cui definizione è riportata in \figref{fig:struct_flock}) nella quale -inserire tutti i dati relativi ad un determinato lock. Si tenga presente poi -che un lock fa sempre riferimento ad una regione, per cui si potrà avere un -conflitto anche se c'è soltanto una sovrapposizione parziale con un'altra -regione bloccata. - -\begin{figure}[!bht] - \footnotesize \centering - \begin{minipage}[c]{15cm} - \includestruct{listati/flock.h} - \end{minipage} - \normalsize - \caption{La struttura \structd{flock}, usata da \func{fcntl} per il file - locking.} - \label{fig:struct_flock} -\end{figure} - - -I primi tre campi della struttura, \var{l\_whence}, \var{l\_start} e -\var{l\_len}, servono a specificare la sezione del file a cui fa riferimento -il lock: \var{l\_start} specifica il byte di partenza, \var{l\_len} la -lunghezza della sezione e infine \var{l\_whence} imposta il riferimento da cui -contare \var{l\_start}. Il valore di \var{l\_whence} segue la stessa semantica -dell'omonimo argomento di \func{lseek}, coi tre possibili valori -\const{SEEK\_SET}, \const{SEEK\_CUR} e \const{SEEK\_END}, (si vedano le -relative descrizioni in \secref{sec:file_lseek}). +\end{functions} -Si tenga presente che un lock può essere richiesto anche per una regione al di -là della corrente fine del file, così che una eventuale estensione dello -stesso resti coperta dal blocco. Inoltre se si specifica un valore nullo per -\var{l\_len} il blocco si considera esteso fino alla dimensione massima del -file; in questo modo è possibile bloccare una qualunque regione a partire da -un certo punto fino alla fine del file, coprendo automaticamente quanto -eventualmente aggiunto in coda allo stesso. +La funzione esegue la sincronizzazione di quanto scritto nella sezione di +memoria indicata da \param{start} e \param{offset}, scrivendo le modifiche sul +file (qualora questo non sia già stato fatto). Provvede anche ad aggiornare i +relativi tempi di modifica. In questo modo si è sicuri che dopo l'esecuzione +di \func{msync} le funzioni dell'interfaccia standard troveranno un contenuto +del file aggiornato. \begin{table}[htb] \centering @@ -1552,514 +3403,1193 @@ eventualmente aggiunto in coda allo stesso. \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ \hline \hline - \const{F\_RDLCK} & Richiede un blocco condiviso (\textit{read lock}).\\ - \const{F\_WRLCK} & Richiede un blocco esclusivo (\textit{write lock}).\\ - \const{F\_UNLCK} & Richiede l'eliminazione di un file lock.\\ + \const{MS\_ASYNC} & Richiede la sincronizzazione.\\ + \const{MS\_SYNC} & Attende che la sincronizzazione si eseguita.\\ + \const{MS\_INVALIDATE}& Richiede che le altre mappature dello stesso file + siano invalidate.\\ \hline \end{tabular} - \caption{Valori possibili per il campo \var{l\_type} di \struct{flock}.} - \label{tab:file_flock_type} + \caption{Le costanti che identificano i bit per la maschera binaria + dell'argomento \param{flag} di \func{msync}.} + \label{tab:file_mmap_rsync} \end{table} -Il tipo di file lock richiesto viene specificato dal campo \var{l\_type}, esso -può assumere i tre valori definiti dalle costanti riportate in -\tabref{tab:file_flock_type}, che permettono di richiedere rispettivamente uno -\textit{shared lock}, un \textit{esclusive lock}, e la rimozione di un lock -precedentemente acquisito. Infine il campo \var{l\_pid} viene usato solo in -caso di lettura, quando si chiama \func{fcntl} con \const{F\_GETLK}, e riporta -il \acr{pid} del processo che detiene il lock. - -Oltre a quanto richiesto tramite i campi di \struct{flock}, l'operazione -effettivamente svolta dalla funzione è stabilita dal valore dall'argomento -\param{cmd} che, come già riportato in \secref{sec:file_fcntl}, specifica -l'azione da compiere; i valori relativi al file locking sono tre: -\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}} -\item[\const{F\_GETLK}] verifica se il file lock specificato dalla struttura - puntata da \param{lock} può essere acquisito: in caso negativo sovrascrive - la struttura \param{flock} con i valori relativi al lock già esistente che - ne blocca l'acquisizione, altrimenti si limita a impostarne il campo - \var{l\_type} con il valore \const{F\_UNLCK}. -\item[\const{F\_SETLK}] se il campo \var{l\_type} della struttura puntata da - \param{lock} è \const{F\_RDLCK} o \const{F\_WRLCK} richiede il - corrispondente file lock, se è \const{F\_UNLCK} lo rilascia. Nel caso la - richiesta non possa essere soddisfatta a causa di un lock preesistente la - funzione ritorna immediatamente con un errore di \errcode{EACCES} o di - \errcode{EAGAIN}. -\item[\const{F\_SETLKW}] è identica a \const{F\_SETLK}, ma se la richiesta di - non può essere soddisfatta per la presenza di un altro lock, mette il - processo in stato di attesa fintanto che il lock precedente non viene - rilasciato. Se l'attesa viene interrotta da un segnale la funzione ritorna - con un errore di \errcode{EINTR}. -\end{basedescript} - -Si noti che per quanto detto il comando \const{F\_GETLK} non serve a rilevare -una presenza generica di lock su un file, perché se ne esistono altri -compatibili con quello richiesto, la funzione ritorna comunque impostando -\var{l\_type} a \const{F\_UNLCK}. Inoltre a seconda del valore di -\var{l\_type} si potrà controllare o l'esistenza di un qualunque tipo di lock -(se è \const{F\_WRLCK}) o di write lock (se è \const{F\_RDLCK}). Si consideri -poi che può esserci più di un lock che impedisce l'acquisizione di quello -richiesto (basta che le regioni si sovrappongano), ma la funzione ne riporterà -sempre soltanto uno, impostando \var{l\_whence} a \const{SEEK\_SET} ed i -valori \var{l\_start} e \var{l\_len} per indicare quale è la regione bloccata. - -Infine si tenga presente che effettuare un controllo con il comando -\const{F\_GETLK} e poi tentare l'acquisizione con \const{F\_SETLK} non è una -operazione atomica (un altro processo potrebbe acquisire un lock fra le due -chiamate) per cui si deve sempre verificare il codice di ritorno di -\func{fcntl}\footnote{controllare il codice di ritorno delle funzioni invocate - è comunque una buona norma di programmazione, che permette di evitare un - sacco di errori difficili da tracciare proprio perché non vengono rilevati.} -quando la si invoca con \const{F\_SETLK}, per controllare che il lock sia -stato effettivamente acquisito. - -\begin{figure}[htb] - \centering \includegraphics[width=9cm]{img/file_lock_dead} - \caption{Schema di una situazione di \textit{deadlock}\index{deadlock}.} - \label{fig:file_flock_dead} -\end{figure} - -Non operando a livello di interi file, il file locking POSIX introduce -un'ulteriore complicazione; consideriamo la situazione illustrata in -\figref{fig:file_flock_dead}, in cui il processo A blocca la regione 1 e il -processo B la regione 2. Supponiamo che successivamente il processo A richieda -un lock sulla regione 2 che non può essere acquisito per il preesistente lock -del processo 2; il processo 1 si bloccherà fintanto che il processo 2 non -rilasci il blocco. Ma cosa accade se il processo 2 nel frattempo tenta a sua -volta di ottenere un lock sulla regione A? Questa è una tipica situazione che -porta ad un \textit{deadlock}\index{deadlock}, dato che a quel punto anche il -processo 2 si bloccherebbe, e niente potrebbe sbloccare l'altro processo. Per -questo motivo il kernel si incarica di rilevare situazioni di questo tipo, ed -impedirle restituendo un errore di \errcode{EDEADLK} alla funzione che cerca -di acquisire un lock che porterebbe ad un \textit{deadlock}. - -\begin{figure}[!bht] - \centering \includegraphics[width=13cm]{img/file_posix_lock} - \caption{Schema dell'architettura del file locking, nel caso particolare - del suo utilizzo secondo l'interfaccia standard POSIX.} - \label{fig:file_posix_lock} -\end{figure} - +L'argomento \param{flag} è specificato come maschera binaria composta da un OR +dei valori riportati in tab.~\ref{tab:file_mmap_rsync}, di questi però +\const{MS\_ASYNC} e \const{MS\_SYNC} sono incompatibili; con il primo valore +infatti la funzione si limita ad inoltrare la richiesta di sincronizzazione al +meccanismo della memoria virtuale, ritornando subito, mentre con il secondo +attende che la sincronizzazione sia stata effettivamente eseguita. Il terzo +flag fa invalidare le pagine di cui si richiede la sincronizzazione per tutte +le mappature dello stesso file, così che esse possano essere immediatamente +aggiornate ai nuovi valori. -Per capire meglio il funzionamento del file locking in semantica POSIX (che -differisce alquanto rispetto da quello di BSD, visto \secref{sec:file_flock}) -esaminiamo più in dettaglio come viene gestito dal kernel. Lo schema delle -strutture utilizzate è riportato in \figref{fig:file_posix_lock}; come si vede -esso è molto simile all'analogo di \figref{fig:file_flock_struct}:\footnote{in - questo caso nella figura si sono evidenziati solo i campi di - \struct{file\_lock} significativi per la semantica POSIX, in particolare - adesso ciascuna struttura contiene, oltre al \acr{pid} del processo in - \var{fl\_pid}, la sezione di file che viene bloccata grazie ai campi - \var{fl\_start} e \var{fl\_end}. La struttura è comunque la stessa, solo - che in questo caso nel campo \var{fl\_flags} è impostato il bit - \const{FL\_POSIX} ed il campo \var{fl\_file} non viene usato.} il lock è -sempre associato all'inode\index{inode}, solo che in questo caso la titolarità -non viene identificata con il riferimento ad una voce nella file table, ma con -il valore del \acr{pid} del processo. - -Quando si richiede un lock il kernel effettua una scansione di tutti i lock -presenti sul file\footnote{scandisce cioè la linked list delle strutture - \struct{file\_lock}, scartando automaticamente quelle per cui - \var{fl\_flags} non è \const{FL\_POSIX}, così che le due interfacce restano - ben separate.} per verificare se la regione richiesta non si sovrappone ad -una già bloccata, in caso affermativo decide in base al tipo di lock, in caso -negativo il nuovo lock viene comunque acquisito ed aggiunto alla lista. +Una volta che si sono completate le operazioni di I/O si può eliminare la +mappatura della memoria usando la funzione \funcd{munmap}, il suo prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{unistd.h} + \headdecl{sys/mman.h} -Nel caso di rimozione invece questa viene effettuata controllando che il -\acr{pid} del processo richiedente corrisponda a quello contenuto nel lock. -Questa diversa modalità ha delle conseguenze precise riguardo il comportamento -dei lock POSIX. La prima conseguenza è che un lock POSIX non viene mai -ereditato attraverso una \func{fork}, dato che il processo figlio avrà un -\acr{pid} diverso, mentre passa indenne attraverso una \func{exec} in quanto -il \acr{pid} resta lo stesso. Questo comporta che, al contrario di quanto -avveniva con la semantica BSD, quando processo termina tutti i file lock da -esso detenuti vengono immediatamente rilasciati. + \funcdecl{int munmap(void *start, size\_t length)} + + Rilascia la mappatura sulla sezione di memoria specificata. -La seconda conseguenza è che qualunque file descriptor che faccia riferimento -allo stesso file (che sia stato ottenuto con una \func{dup} o con una -\func{open} in questo caso non fa differenza) può essere usato per rimuovere -un lock, dato che quello che conta è solo il \acr{pid} del processo. Da questo -deriva una ulteriore sottile differenza di comportamento: dato che alla -chiusura di un file i lock ad esso associati vengono rimossi, nella semantica -POSIX basterà chiudere un file descriptor qualunque per cancellare tutti i -lock relativi al file cui esso faceva riferimento, anche se questi fossero -stati creati usando altri file descriptor che restano aperti. - -Dato che il controllo sull'accesso ai lock viene eseguito sulla base del -\acr{pid} del processo, possiamo anche prendere in considerazione un'altro -degli aspetti meno chiari di questa interfaccia e cioè cosa succede quando si -richiedono dei lock su regioni che si sovrappongono fra loro all'interno -stesso processo. Siccome il controllo, come nel caso della rimozione, si basa -solo sul \acr{pid} del processo che chiama la funzione, queste richieste -avranno sempre successo. + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di + errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] l'intervallo specificato non ricade in una zona + precedentemente mappata. + \end{errlist} + } +\end{functions} -Nel caso della semantica BSD, essendo i lock relativi a tutto un file e non -accumulandosi,\footnote{questa ultima caratteristica è vera in generale, se - cioè si richiede più volte lo stesso file lock, o più lock sulla stessa - sezione di file, le richieste non si cumulano e basta una sola richiesta di - rilascio per cancellare il lock.} la cosa non ha alcun effetto; la funzione -ritorna con successo, senza che il kernel debba modificare la lista dei lock. -In questo caso invece si possono avere una serie di situazioni diverse: ad -esempio è possibile rimuovere con una sola chiamata più lock distinti -(indicando in una regione che si sovrapponga completamente a quelle di questi -ultimi), o rimuovere solo una parte di un lock preesistente (indicando una -regione contenuta in quella di un altro lock), creando un buco, o coprire con -un nuovo lock altri lock già ottenuti, e così via, a secondo di come si -sovrappongono le regioni richieste e del tipo di operazione richiesta. Il -comportamento seguito in questo caso che la funzione ha successo ed esegue -l'operazione richiesta sulla regione indicata; è compito del kernel -preoccuparsi di accorpare o dividere le voci nella lista dei lock per far si -che le regioni bloccate da essa risultanti siano coerenti con quanto -necessario a soddisfare l'operazione richiesta. +La funzione cancella la mappatura per l'intervallo specificato con +\param{start} e \param{length}; ogni successivo accesso a tale regione causerà +un errore di accesso in memoria. L'argomento \param{start} deve essere +allineato alle dimensioni di una pagina, e la mappatura di tutte le pagine +contenute anche parzialmente nell'intervallo indicato, verrà rimossa. +Indicare un intervallo che non contiene mappature non è un errore. Si tenga +presente inoltre che alla conclusione di un processo ogni pagina mappata verrà +automaticamente rilasciata, mentre la chiusura del file descriptor usato per +il \textit{memory mapping} non ha alcun effetto su di esso. + +Lo standard POSIX prevede anche una funzione che permetta di cambiare le +protezioni delle pagine di memoria; lo standard prevede che essa si applichi +solo ai \textit{memory mapping} creati con \func{mmap}, ma nel caso di Linux +la funzione può essere usata con qualunque pagina valida nella memoria +virtuale. Questa funzione è \funcd{mprotect} ed il suo prototipo è: +\begin{functions} +% \headdecl{unistd.h} + \headdecl{sys/mman.h} -\begin{figure}[!htb] - \footnotesize \centering - \begin{minipage}[c]{15cm} - \includecodesample{listati/Flock.c} - \end{minipage} - \normalsize - \caption{Sezione principale del codice del programma \file{Flock.c}.} - \label{fig:file_flock_code} -\end{figure} + \funcdecl{int mprotect(const void *addr, size\_t len, int prot)} + + Modifica le protezioni delle pagine di memoria comprese nell'intervallo + specificato. -Per fare qualche esempio sul file locking si è scritto un programma che -permette di bloccare una sezione di un file usando la semantica POSIX, o un -intero file usando la semantica BSD; in \figref{fig:file_flock_code} è -riportata il corpo principale del codice del programma, (il testo completo è -allegato nella directory dei sorgenti). + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di + errore nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{addr} non è valido o non è un + multiplo di \const{PAGE\_SIZE}. + \item[\errcode{EACCESS}] l'operazione non è consentita, ad esempio si è + cercato di marcare con \const{PROT\_WRITE} un segmento di memoria cui si + ha solo accesso in lettura. +% \item[\errcode{ENOMEM}] non è stato possibile allocare le risorse +% necessarie all'interno del kernel. +% \item[\errcode{EFAULT}] si è specificato un indirizzo di memoria non +% accessibile. + \end{errlist} + ed inoltre \errval{ENOMEM} ed \errval{EFAULT}. + } +\end{functions} -La sezione relativa alla gestione delle opzioni al solito si è omessa, come la -funzione che stampa le istruzioni per l'uso del programma, essa si cura di -impostare le variabili \var{type}, \var{start} e \var{len}; queste ultime due -vengono inizializzate al valore numerico fornito rispettivamente tramite gli -switch \code{-s} e \cmd{-l}, mentre il valore della prima viene impostato con -le opzioni \cmd{-w} e \cmd{-r} si richiede rispettivamente o un write lock o -read lock (i due valori sono esclusivi, la variabile assumerà quello che si è -specificato per ultimo). Oltre a queste tre vengono pure impostate la -variabile \var{bsd}, che abilita la semantica omonima quando si invoca -l'opzione \cmd{-f} (il valore preimpostato è nullo, ad indicare la semantica -POSIX), e la variabile \var{cmd} che specifica la modalità di richiesta del -lock (bloccante o meno), a seconda dell'opzione \cmd{-b}. -Il programma inizia col controllare (\texttt{\small 11--14}) che venga passato -un parametro (il file da bloccare), che sia stato scelto (\texttt{\small - 15--18}) il tipo di lock, dopo di che apre (\texttt{\small 19}) il file, -uscendo (\texttt{\small 20--23}) in caso di errore. A questo punto il -comportamento dipende dalla semantica scelta; nel caso sia BSD occorre -reimpostare il valore di \var{cmd} per l'uso con \func{flock}; infatti il -valore preimpostato fa riferimento alla semantica POSIX e vale rispettivamente -\const{F\_SETLKW} o \const{F\_SETLK} a seconda che si sia impostato o meno la -modalità bloccante. +La funzione prende come argomenti un indirizzo di partenza in \param{addr}, +allineato alle dimensioni delle pagine di memoria, ed una dimensione +\param{size}. La nuova protezione deve essere specificata in \param{prot} con +una combinazione dei valori di tab.~\ref{tab:file_mmap_prot}. La nuova +protezione verrà applicata a tutte le pagine contenute, anche parzialmente, +dall'intervallo fra \param{addr} e \param{addr}+\param{size}-1. -Nel caso si sia scelta la semantica BSD (\texttt{\small 25--34}) prima si -controlla (\texttt{\small 27--31}) il valore di \var{cmd} per determinare se -si vuole effettuare una chiamata bloccante o meno, reimpostandone il valore -opportunamente, dopo di che a seconda del tipo di lock al valore viene -aggiunta la relativa opzione (con un OR aritmetico, dato che \func{flock} -vuole un argomento \param{operation} in forma di maschera binaria. Nel caso -invece che si sia scelta la semantica POSIX le operazioni sono molto più -immediate, si prepara (\texttt{\small 36--40}) la struttura per il lock, e lo -esegue (\texttt{\small 41}). +Infine Linux supporta alcune operazioni specifiche non disponibili su altri +kernel unix-like. La prima di queste è la possibilità di modificare un +precedente \textit{memory mapping}, ad esempio per espanderlo o restringerlo. +Questo è realizzato dalla funzione \funcd{mremap}, il cui prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{unistd.h} + \headdecl{sys/mman.h} -In entrambi i casi dopo aver richiesto il lock viene controllato il risultato -uscendo (\texttt{\small 44--46}) in caso di errore, o stampando un messaggio -(\texttt{\small 47--49}) in caso di successo. Infine il programma si pone in -attesa (\texttt{\small 50}) finché un segnale (ad esempio un \cmd{C-c} dato da -tastiera) non lo interrompa; in questo caso il programma termina, e tutti i -lock vengono rilasciati. + \funcdecl{void * mremap(void *old\_address, size\_t old\_size , size\_t + new\_size, unsigned long flags)} + + Restringe o allarga una mappatura in memoria di un file. -Con il programma possiamo fare varie verifiche sul funzionamento del file -locking; cominciamo con l'eseguire un read lock su un file, ad esempio usando -all'interno di un terminale il seguente comando: + \bodydesc{La funzione restituisce l'indirizzo alla nuova area di memoria in + caso di successo od il valore \const{MAP\_FAILED} (pari a \texttt{(void *) + -1}) in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei + valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{old\_address} non è un + puntatore valido. + \item[\errcode{EFAULT}] ci sono indirizzi non validi nell'intervallo + specificato da \param{old\_address} e \param{old\_size}, o ci sono altre + mappature di tipo non corrispondente a quella richiesta. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria sufficiente oppure l'area di + memoria non può essere espansa all'indirizzo virtuale corrente, e non si + è specificato \const{MREMAP\_MAYMOVE} nei flag. + \item[\errcode{EAGAIN}] il segmento di memoria scelto è bloccato e non può + essere rimappato. + \end{errlist} + } +\end{functions} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -r Flock.c -Lock acquired -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -il programma segnalerà di aver acquisito un lock e si bloccherà; in questo -caso si è usato il file locking POSIX e non avendo specificato niente riguardo -alla sezione che si vuole bloccare sono stati usati i valori preimpostati che -bloccano tutto il file. A questo punto se proviamo ad eseguire lo stesso -comando in un altro terminale, e avremo lo stesso risultato. Se invece -proviamo ad eseguire un write lock avremo: +La funzione richiede come argomenti \param{old\_address} (che deve essere +allineato alle dimensioni di una pagina di memoria) che specifica il +precedente indirizzo del \textit{memory mapping} e \param{old\_size}, che ne +indica la dimensione. Con \param{new\_size} si specifica invece la nuova +dimensione che si vuole ottenere. Infine l'argomento \param{flags} è una +maschera binaria per i flag che controllano il comportamento della funzione. +Il solo valore utilizzato è \const{MREMAP\_MAYMOVE}\footnote{per poter + utilizzare questa costante occorre aver definito \macro{\_GNU\_SOURCE} prima + di includere \file{sys/mman.h}.} che consente di eseguire l'espansione +anche quando non è possibile utilizzare il precedente indirizzo. Per questo +motivo, se si è usato questo flag, la funzione può restituire un indirizzo +della nuova zona di memoria che non è detto coincida con \param{old\_address}. + +La funzione si appoggia al sistema della \index{memoria~virtuale} memoria +virtuale per modificare l'associazione fra gli indirizzi virtuali del processo +e le pagine di memoria, modificando i dati direttamente nella +\itindex{page~table} \textit{page table} del processo. Come per +\func{mprotect} la funzione può essere usata in generale, anche per pagine di +memoria non corrispondenti ad un \textit{memory mapping}, e consente così di +implementare la funzione \func{realloc} in maniera molto efficiente. + +Una caratteristica comune a tutti i sistemi unix-like è che la mappatura in +memoria di un file viene eseguita in maniera lineare, cioè parti successive di +un file vengono mappate linearmente su indirizzi successivi in memoria. +Esistono però delle applicazioni\footnote{in particolare la tecnica è usata + dai database o dai programmi che realizzano macchine virtuali.} in cui è +utile poter mappare sezioni diverse di un file su diverse zone di memoria. + +Questo è ovviamente sempre possibile eseguendo ripetutamente la funzione +\func{mmap} per ciascuna delle diverse aree del file che si vogliono mappare +in sequenza non lineare,\footnote{ed in effetti è quello che veniva fatto + anche con Linux prima che fossero introdotte queste estensioni.} ma questo +approccio ha delle conseguenze molto pesanti in termini di prestazioni. +Infatti per ciascuna mappatura in memoria deve essere definita nella +\itindex{page~table} \textit{page table} del processo una nuova area di +memoria virtuale\footnote{quella che nel gergo del kernel viene chiamata VMA + (\textit{virtual memory area}).} che corrisponda alla mappatura, in modo che +questa diventi visibile nello spazio degli indirizzi come illustrato in +fig.~\ref{fig:file_mmap_layout}. + +Quando un processo esegue un gran numero di mappature diverse\footnote{si può + arrivare anche a centinaia di migliaia.} per realizzare a mano una mappatura +non-lineare si avrà un accrescimento eccessivo della sua \itindex{page~table} +\textit{page table}, e lo stesso accadrà per tutti gli altri processi che +utilizzano questa tecnica. In situazioni in cui le applicazioni hanno queste +esigenze si avranno delle prestazioni ridotte, dato che il kernel dovrà +impiegare molte risorse\footnote{sia in termini di memoria interna per i dati + delle \itindex{page~table} \textit{page table}, che di CPU per il loro + aggiornamento.} solo per mantenere i dati di una gran quantità di +\textit{memory mapping}. + +Per questo motivo con il kernel 2.5.46 è stato introdotto, ad opera di Ingo +Molnar, un meccanismo che consente la mappatura non-lineare. Anche questa è +una caratteristica specifica di Linux, non presente in altri sistemi +unix-like. Diventa così possibile utilizzare una sola mappatura +iniziale\footnote{e quindi una sola \textit{virtual memory area} nella + \itindex{page~table} \textit{page table} del processo.} e poi rimappare a +piacere all'interno di questa i dati del file. Ciò è possibile grazie ad una +nuova system call, \funcd{remap\_file\_pages}, il cui prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{sys/mman.h} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w Flock.c -Failed lock: Resource temporarily unavailable -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -come ci aspettiamo il programma terminerà segnalando l'indisponibilità del -lock, dato che il file è bloccato dal precedente read lock. Si noti che il -risultato è lo stesso anche se si richiede il blocco su una sola parte del -file con il comando: + \funcdecl{int remap\_file\_pages(void *start, size\_t size, int prot, + ssize\_t pgoff, int flags)} + + Permette di rimappare non linearmente un precedente \textit{memory mapping}. -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c -Failed lock: Resource temporarily unavailable -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -se invece blocchiamo una regione con: + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] si è usato un valore non valido per uno degli + argomenti o \param{start} non fa riferimento ad un \textit{memory + mapping} valido creato con \const{MAP\_SHARED}. + \end{errlist} + } +\end{functions} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -s0 -l10 Flock.c -Lock acquired -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -una volta che riproviamo ad acquisire il write lock i risultati dipenderanno -dalla regione richiesta; ad esempio nel caso in cui le due regioni si -sovrappongono avremo che: +Per poter utilizzare questa funzione occorre anzitutto effettuare +preliminarmente una chiamata a \func{mmap} con \const{MAP\_SHARED} per +definire l'area di memoria che poi sarà rimappata non linearmente. Poi di +chiamerà questa funzione per modificare le corrispondenze fra pagine di +memoria e pagine del file; si tenga presente che \func{remap\_file\_pages} +permette anche di mappare la stessa pagina di un file in più pagine della +regione mappata. + +La funzione richiede che si identifichi la sezione del file che si vuole +riposizionare all'interno del \textit{memory mapping} con gli argomenti +\param{pgoff} e \param{size}; l'argomento \param{start} invece deve indicare +un indirizzo all'interno dell'area definita dall'\func{mmap} iniziale, a +partire dal quale la sezione di file indicata verrà rimappata. L'argomento +\param{prot} deve essere sempre nullo, mentre \param{flags} prende gli stessi +valori di \func{mmap} (quelli di tab.~\ref{tab:file_mmap_prot}) ma di tutti i +flag solo \const{MAP\_NONBLOCK} non viene ignorato. + +Insieme alla funzione \func{remap\_file\_pages} nel kernel 2.5.46 con sono +stati introdotti anche due nuovi flag per \func{mmap}: \const{MAP\_POPULATE} e +\const{MAP\_NONBLOCK}. Il primo dei due consente di abilitare il meccanismo +del \itindex{prefaulting} \textit{prefaulting}. Questo viene di nuovo in aiuto +per migliorare le prestazioni in certe condizioni di utilizzo del +\textit{memory mapping}. + +Il problema si pone tutte le volte che si vuole mappare in memoria un file di +grosse dimensioni. Il comportamento normale del sistema della +\index{memoria~virtuale} memoria virtuale è quello per cui la regione mappata +viene aggiunta alla \itindex{page~table} \textit{page table} del processo, ma +i dati verranno effettivamente utilizzati (si avrà cioè un +\itindex{page~fault} \textit{page fault} che li trasferisce dal disco alla +memoria) soltanto in corrispondenza dell'accesso a ciascuna delle pagine +interessate dal \textit{memory mapping}. + +Questo vuol dire che il passaggio dei dati dal disco alla memoria avverrà una +pagina alla volta con un gran numero di \itindex{page~fault} \textit{page + fault}, chiaramente se si sa in anticipo che il file verrà utilizzato +immediatamente, è molto più efficiente eseguire un \itindex{prefaulting} +\textit{prefaulting} in cui tutte le pagine di memoria interessate alla +mappatura vengono ``\textsl{popolate}'' in una sola volta, questo +comportamento viene abilitato quando si usa con \func{mmap} il flag +\const{MAP\_POPULATE}. + +Dato che l'uso di \const{MAP\_POPULATE} comporta dell'I/O su disco che può +rallentare l'esecuzione di \func{mmap} è stato introdotto anche un secondo +flag, \const{MAP\_NONBLOCK}, che esegue un \itindex{prefaulting} +\textit{prefaulting} più limitato in cui vengono popolate solo le pagine della +mappatura che già si trovano nella cache del kernel.\footnote{questo può + essere utile per il linker dinamico, in particolare quando viene effettuato + il \textit{prelink} delle applicazioni.} + +Per i vantaggi illustrati all'inizio del paragrafo l'interfaccia del +\textit{memory mapped I/O} viene usata da una grande varietà di programmi, +spesso con esigenze molto diverse fra di loro riguardo le modalità con cui +verranno eseguiti gli accessi ad un file; è ad esempio molto comune per i +database effettuare accessi ai dati in maniera pressoché casuale, mentre un +riproduttore audio o video eseguirà per lo più letture sequenziali. + +Per migliorare le prestazioni a seconda di queste modalità di accesso è +disponibile una apposita funzione, \funcd{madvise},\footnote{tratteremo in + sez.~\ref{sec:file_fadvise} le funzioni che consentono di ottimizzare + l'accesso ai file con l'interfaccia classica.} che consente di fornire al +kernel delle indicazioni su dette modalità, così che possano essere adottate +le opportune strategie di ottimizzazione. Il suo prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{sys/mman.h} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s5 -l15 Flock.c -Failed lock: Resource temporarily unavailable -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -ed il lock viene rifiutato, ma se invece si richiede una regione distinta -avremo che: + \funcdecl{int madvise(void *start, size\_t length, int advise)} + + Fornisci indicazioni sull'uso di un \textit{memory mapping}. -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s11 -l15 Flock.c -Lock acquired -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -ed il lock viene acquisito. Se a questo punto si prova ad eseguire un read -lock che comprende la nuova regione bloccata in scrittura: + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EAGAIN}] . + \item[\errcode{EBADF}] . + \item[\errcode{EINVAL}] . + \item[\errcode{EIO}] . + \item[\errcode{ENOMEM}] . + \end{errlist} + } +\end{functions} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -s10 -l20 Flock.c -Failed lock: Resource temporarily unavailable -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -come ci aspettiamo questo non sarà consentito. + -Il programma di norma esegue il tentativo di acquisire il lock in modalità non -bloccante, se però usiamo l'opzione \cmd{-b} possiamo impostare la modalità -bloccante, riproviamo allora a ripetere le prove precedenti con questa -opzione: +% TODO documentare \func{madvise} +\itindend{memory~mapping} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -r -b -s0 -l10 Flock.c Lock acquired -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -il primo comando acquisisce subito un read lock, e quindi non cambia nulla, ma -se proviamo adesso a richiedere un write lock che non potrà essere acquisito -otterremo: -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -il programma cioè si bloccherà nella chiamata a \func{fcntl}; se a questo -punto rilasciamo il precedente lock (terminando il primo comando un -\texttt{C-c} sul terminale) potremo verificare che sull'altro terminale il -lock viene acquisito, con la comparsa di una nuova riga: +\subsection{I/O vettorizzato: \func{readv} e \func{writev}} +\label{sec:file_multiple_io} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[piccardi@gont sources]$ ./flock -w -s0 -l10 Flock.c -Lock acquired -\end{verbatim}%$ -\end{minipage}\vspace{3mm} -\par\noindent +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. -Un'altra cosa che si può controllare con il nostro programma è l'interazione -fra i due tipi di lock; se ripartiamo dal primo comando con cui si è ottenuto -un lock in lettura sull'intero file, possiamo verificare cosa succede quando -si cerca di ottenere un lock in scrittura con la semantica BSD: +Per questo motivo su BSD 4.2 sono state introdotte due nuove system call, +\funcd{readv} e \funcd{writev},\footnote{in Linux le due funzioni sono riprese + da BSD4.4, esse sono previste anche dallo standard POSIX.1-2001.} che +permettono di effettuare 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)} + \funcdecl{int writev(int fd, const struct iovec *vector, int count)} -\vspace{1mm} -\begin{minipage}[c]{12cm} -\begin{verbatim} -[root@gont sources]# ./flock -f -w Flock.c -Lock acquired -\end{verbatim} -\end{minipage}\vspace{1mm} -\par\noindent -che ci mostra come i due tipi di lock siano assolutamente indipendenti; per -questo motivo occorre sempre tenere presente quale fra le due semantiche -disponibili stanno usando i programmi con cui si interagisce, dato che i lock -applicati con l'altra non avrebbero nessun effetto. + Eseguono rispettivamente una lettura o una scrittura vettorizzata. + + \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} + assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore non valido per uno degli + argomenti (ad esempio \param{count} è maggiore di \const{IOV\_MAX}). + \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima di + di avere eseguito una qualunque lettura o scrittura. + \item[\errcode{EAGAIN}] \param{fd} è stato aperto in modalità non bloccante e + non ci sono dati in lettura. + \item[\errcode{EOPNOTSUPP}] la coda delle richieste è momentaneamente piena. + \end{errlist} + ed anche \errval{EISDIR}, \errval{EBADF}, \errval{ENOMEM}, \errval{EFAULT} + (se non sono stati allocati correttamente i buffer specificati nei campi + \var{iov\_base}), più gli eventuali errori delle funzioni di lettura e + scrittura eseguite su \param{fd}.} +\end{functions} +Entrambe le funzioni usano una struttura \struct{iovec}, la cui definizione è +riportata in fig.~\ref{fig:file_iovec}, che definisce dove i dati devono +essere letti o scritti ed in che quantità. Il primo campo della struttura, +\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} + \includestruct{listati/iovec.h} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{La struttura \structd{iovec}, usata dalle operazioni di I/O + vettorizzato.} + \label{fig:file_iovec} +\end{figure} -\subsection{La funzione \func{lockf}} -\label{sec:file_lockf} +La lista dei buffer da utilizzare viene indicata attraverso l'argomento +\param{vector} che è un vettore di strutture \struct{iovec}, la cui lunghezza +è specificata dall'argomento \param{count}.\footnote{fino alle libc5, Linux + usava \type{size\_t} come tipo dell'argomento \param{count}, una scelta + logica, che però è stata dismessa per restare aderenti allo standard + POSIX.1-2001.} Ciascuna struttura dovrà essere inizializzata opportunamente +per indicare i vari buffer da e verso i quali verrà eseguito il trasferimento +dei dati. Essi verranno letti (o scritti) nell'ordine in cui li si sono +specificati nel vettore \param{vector}. + +La standardizzazione delle due funzioni all'interno della revisione +POSIX.1-2001 prevede anche che sia possibile avere un limite al numero di +elementi del vettore \param{vector}. Qualora questo sussista, esso deve essere +indicato dal valore dalla costante \const{IOV\_MAX}, definita come le altre +costanti analoghe (vedi sez.~\ref{sec:sys_limits}) in \file{limits.h}; lo +stesso valore deve essere ottenibile in esecuzione tramite la funzione +\func{sysconf} richiedendo l'argomento \const{\_SC\_IOV\_MAX} (vedi +sez.~\ref{sec:sys_sysconf}). + +Nel caso di Linux il limite di sistema è di 1024, però se si usano le +\acr{glibc} queste forniscono un \textit{wrapper} per le system call che si +accorge se una operazione supererà il precedente limite, in tal caso i dati +verranno letti o scritti con le usuali \func{read} e \func{write} usando un +buffer di dimensioni sufficienti appositamente allocato e sufficiente a +contenere tutti i dati indicati da \param{vector}. L'operazione avrà successo +ma si perderà l'atomicità del trasferimento da e verso la destinazione finale. + +% TODO verificare cosa succederà a preadv e pwritev o alla nuova niovec +% vedi http://lwn.net/Articles/164887/ +% inserite nel kernel 2.6.30, vedi http://lwn.net/Articles/326818/ + + +\subsection{L'I/O diretto fra file descriptor: \func{sendfile} e + \func{splice}} +\label{sec:file_sendfile_splice} + +Uno dei problemi che si presentano nella gestione dell'I/O è quello in cui si +devono trasferire grandi quantità di dati da un file descriptor ed un altro; +questo usualmente comporta la lettura dei dati dal primo file descriptor in un +buffer in memoria, da cui essi vengono poi scritti sul secondo. + +Benché il kernel ottimizzi la gestione di questo processo quando si ha a che +fare con file normali, in generale quando i dati da trasferire sono molti si +pone il problema di effettuare trasferimenti di grandi quantità di dati da +kernel space a user space e all'indietro, quando in realtà potrebbe essere più +efficiente mantenere tutto in kernel space. Tratteremo in questa sezione +alcune funzioni specialistiche che permettono di ottimizzare le prestazioni in +questo tipo di situazioni. + +La prima funzione che si pone l'obiettivo di ottimizzare il trasferimento dei +dati fra due file descriptor è \funcd{sendfile};\footnote{la funzione è stata + introdotta con i kernel della serie 2.2, e disponibile dalle \acr{glibc} + 2.1.} la funzione è presente in diverse versioni di Unix,\footnote{la si + ritrova ad esempio in FreeBSD, HPUX ed altri Unix.} ma non è presente né in +POSIX.1-2001 né in altri standard,\footnote{pertanto si eviti di utilizzarla + se si devono scrivere programmi portabili.} per cui per essa vengono +utilizzati prototipi e semantiche differenti; nel caso di Linux il suo +prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{sys/sendfile.h} -Abbiamo visto come l'interfaccia POSIX per il file locking sia molto più -potente e flessibile di quella di BSD, questo comporta anche una maggiore -complessità per via delle varie opzioni da passare a \func{fcntl}. Per questo -motivo è disponibile anche una interfaccia semplificata (ripresa da System V) -che utilizza la funzione \funcd{lockf}, il cui prototipo è: -\begin{prototype}{sys/file.h}{int lockf(int fd, int cmd, off\_t len)} + \funcdecl{ssize\_t sendfile(int out\_fd, int in\_fd, off\_t *offset, size\_t + count)} - Applica, controlla o rimuove un \textit{file lock} sul file \param{fd}. + Copia dei dati da un file descriptor ad un altro. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte trasferiti in caso di + successo e $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno + dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EAGAIN}] si è impostata la modalità non bloccante su + \param{out\_fd} e la scrittura si bloccherebbe. + \item[\errcode{EINVAL}] i file descriptor non sono validi, o sono bloccati + (vedi sez.~\ref{sec:file_locking}), o \func{mmap} non è disponibile per + \param{in\_fd}. + \item[\errcode{EIO}] si è avuto un errore di lettura da \param{in\_fd}. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria sufficiente per la lettura da + \param{in\_fd}. + \end{errlist} + ed inoltre \errcode{EBADF} e \errcode{EFAULT}. + } +\end{functions} + +La funzione copia direttamente \param{count} byte dal file descriptor +\param{in\_fd} al file descriptor \param{out\_fd}; in caso di successo +funzione ritorna il numero di byte effettivamente copiati da \param{in\_fd} a +\param{out\_fd} o $-1$ in caso di errore, come le ordinarie \func{read} e +\func{write} questo valore può essere inferiore a quanto richiesto con +\param{count}. + +Se il puntatore \param{offset} è nullo la funzione legge i dati a partire +dalla posizione corrente su \param{in\_fd}, altrimenti verrà usata la +posizione indicata dal valore puntato da \param{offset}; in questo caso detto +valore sarà aggiornato, come \textit{value result argument}, per indicare la +posizione del byte successivo all'ultimo che è stato letto, mentre la +posizione corrente sul file non sarà modificata. Se invece \param{offset} è +nullo la posizione corrente sul file sarà aggiornata tenendo conto dei byte +letti da \param{in\_fd}. + +Fino ai kernel della serie 2.4 la funzione è utilizzabile su un qualunque file +descriptor, e permette di sostituire la invocazione successiva di una +\func{read} e una \func{write} (e l'allocazione del relativo buffer) con una +sola chiamata a \funcd{sendfile}. In questo modo si può diminuire il numero di +chiamate al sistema e risparmiare in trasferimenti di dati da kernel space a +user space e viceversa. La massima utilità della funzione si ha comunque per +il trasferimento di dati da un file su disco ad un socket di +rete,\footnote{questo è il caso classico del lavoro eseguito da un server web, + ed infatti Apache ha una opzione per il supporto esplicito di questa + funzione.} dato che in questo caso diventa possibile effettuare il +trasferimento diretto via DMA dal controller del disco alla scheda di rete, +senza neanche allocare un buffer nel kernel,\footnote{il meccanismo è detto + \textit{zerocopy} in quanto i dati non vengono mai copiati dal kernel, che + si limita a programmare solo le operazioni di lettura e scrittura via DMA.} +ottenendo la massima efficienza possibile senza pesare neanche sul processore. + +In seguito però ci si è accorti che, fatta eccezione per il trasferimento +diretto da file a socket, non sempre \func{sendfile} comportava miglioramenti +significativi delle prestazioni rispetto all'uso in sequenza di \func{read} e +\func{write},\footnote{nel caso generico infatti il kernel deve comunque + allocare un buffer ed effettuare la copia dei dati, e in tal caso spesso il + guadagno ottenibile nel ridurre il numero di chiamate al sistema non + compensa le ottimizzazioni che possono essere fatte da una applicazione in + user space che ha una conoscenza diretta su come questi sono strutturati.} e +che anzi in certi casi si potevano avere anche dei peggioramenti. Questo ha +portato, per i kernel della serie 2.6,\footnote{per alcune motivazioni di + questa scelta si può fare riferimento a quanto illustrato da Linus Torvalds + in \href{http://www.cs.helsinki.fi/linux/linux-kernel/2001-03/0200.html} + {\textsf{http://www.cs.helsinki.fi/linux/linux-kernel/2001-03/0200.html}}.} +alla decisione di consentire l'uso della funzione soltanto quando il file da +cui si legge supporta le operazioni di \textit{memory mapping} (vale a dire +non è un socket) e quello su cui si scrive è un socket; in tutti gli altri +casi l'uso di \func{sendfile} darà luogo ad un errore di \errcode{EINVAL}. + +Nonostante ci possano essere casi in cui \func{sendfile} non migliora le +prestazioni, le motivazioni addotte non convincono del tutto e resta il dubbio +se la scelta di disabilitarla sempre per il trasferimento di dati fra file di +dati sia davvero corretta. Se ci sono peggioramenti di prestazioni infatti si +può sempre fare ricorso all'uso successivo di, ma lasciare a disposizione la +funzione consentirebbe se non altro, anche in assenza di guadagni di +prestazioni, di semplificare la gestione della copia dei dati fra file, +evitando di dover gestire l'allocazione di un buffer temporaneo per il loro +trasferimento; inoltre si avrebbe comunque il vantaggio di evitare inutili +trasferimenti di dati da kernel space a user space e viceversa. + +Questo dubbio si può comunque ritenere superato con l'introduzione, avvenuto a +partire dal kernel 2.6.17, della nuova system call \func{splice}. Lo scopo di +questa funzione è quello di fornire un meccanismo generico per il +trasferimento di dati da o verso un file utilizzando un buffer gestito +internamente dal kernel. Descritta in questi termini \func{splice} sembra +semplicemente un ``\textsl{dimezzamento}'' di \func{sendfile}.\footnote{nel + senso che un trasferimento di dati fra due file con \func{sendfile} non + sarebbe altro che la lettura degli stessi su un buffer seguita dalla + relativa scrittura, cosa che in questo caso si dovrebbe eseguire con due + chiamate a \func{splice}.} In realtà le due system call sono profondamente +diverse nel loro meccanismo di funzionamento;\footnote{questo fino al kernel + 2.6.23, dove \func{sendfile} è stata reimplementata in termini di + \func{splice}, pur mantenendo disponibile la stessa interfaccia verso l'user + space.} \func{sendfile} infatti, come accennato, non necessita di avere a +disposizione un buffer interno, perché esegue un trasferimento diretto di +dati; questo la rende in generale più efficiente, ma anche limitata nelle sue +applicazioni, dato che questo tipo di trasferimento è possibile solo in casi +specifici.\footnote{e nel caso di Linux questi sono anche solo quelli in cui + essa può essere effettivamente utilizzata.} + +Il concetto che sta dietro a \func{splice} invece è diverso,\footnote{in + realtà la proposta originale di Larry Mc Voy non differisce poi tanto negli + scopi da \func{sendfile}, quello che rende \func{splice} davvero diversa è + stata la reinterpretazione che ne è stata fatta nell'implementazione su + Linux realizzata da Jens Anxboe, concetti che sono esposti sinteticamente + dallo stesso Linus Torvalds in \href{http://kerneltrap.org/node/6505} + {\textsf{http://kerneltrap.org/node/6505}}.} si tratta semplicemente di una +funzione che consente di fare in maniera del tutto generica delle operazioni +di trasferimento di dati fra un file e un buffer gestito interamente in kernel +space. In questo caso il cuore della funzione (e delle affini \func{vmsplice} +e \func{tee}, che tratteremo più avanti) è appunto l'uso di un buffer in +kernel space, e questo è anche quello che ne ha semplificato l'adozione, +perché l'infrastruttura per la gestione di un tale buffer è presente fin dagli +albori di Unix per la realizzazione delle \textit{pipe} (vedi +sez.~\ref{sec:ipc_unix}). Dal punto di vista concettuale allora \func{splice} +non è altro che una diversa interfaccia (rispetto alle \textit{pipe}) con cui +utilizzare in user space l'oggetto ``\textsl{buffer in kernel space}''. + +Così se per una \textit{pipe} o una \textit{fifo} il buffer viene utilizzato +come area di memoria (vedi fig.~\ref{fig:ipc_pipe_singular}) dove appoggiare i +dati che vengono trasferiti da un capo all'altro della stessa per creare un +meccanismo di comunicazione fra processi, nel caso di \func{splice} il buffer +viene usato o come fonte dei dati che saranno scritti su un file, o come +destinazione dei dati che vengono letti da un file. La funzione \funcd{splice} +fornisce quindi una interfaccia generica che consente di trasferire dati da un +buffer ad un file o viceversa; il suo prototipo, accessibile solo dopo aver +definito la macro \macro{\_GNU\_SOURCE},\footnote{si ricordi che questa + funzione non è contemplata da nessuno standard, è presente solo su Linux, e + pertanto deve essere evitata se si vogliono scrivere programmi portabili.} +è il seguente: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} + + \funcdecl{long splice(int fd\_in, off\_t *off\_in, int fd\_out, off\_t + *off\_out, size\_t len, unsigned int flags)} - \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di - errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + Trasferisce dati da un file verso una pipe o viceversa. + + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte trasferiti in caso di + successo e $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno + dei valori: \begin{errlist} - \item[\errcode{EWOULDBLOCK}] Non è possibile acquisire il lock, e si è - selezionato \const{LOCK\_NB}, oppure l'operazione è proibita perché il - file è mappato in memoria. - \item[\errcode{ENOLCK}] Il sistema non ha le risorse per il locking: ci - sono troppi segmenti di lock aperti, si è esaurita la tabella dei lock. + \item[\errcode{EBADF}] uno o entrambi fra \param{fd\_in} e \param{fd\_out} + non sono file descriptor validi o, rispettivamente, non sono stati + aperti in lettura o scrittura. + \item[\errcode{EINVAL}] il filesystem su cui si opera non supporta + \func{splice}, oppure nessuno dei file descriptor è una pipe, oppure si + è dato un valore a \param{off\_in} o \param{off\_out} ma il + corrispondente file è un dispositivo che non supporta la funzione + \func{seek}. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria sufficiente per l'operazione + richiesta. + \item[\errcode{ESPIPE}] o \param{off\_in} o \param{off\_out} non sono + \const{NULL} ma il corrispondente file descriptor è una \textit{pipe}. \end{errlist} - ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EINVAL}. } -\end{prototype} +\end{functions} -Il comportamento della funzione dipende dal valore dell'argomento \param{cmd}, -che specifica quale azione eseguire; i valori possibili sono riportati in -\tabref{tab:file_lockf_type}. +La funzione esegue un trasferimento di \param{len} byte dal file descriptor +\param{fd\_in} al file descriptor \param{fd\_out}, uno dei quali deve essere +una \textit{pipe}; l'altro file descriptor può essere +qualunque.\footnote{questo significa che può essere, oltre che un file di + dati, anche un altra \textit{pipe}, o un socket.} Come accennato una +\textit{pipe} non è altro che un buffer in kernel space, per cui a seconda che +essa sia usata per \param{fd\_in} o \param{fd\_out} si avrà rispettivamente la +copia dei dati dal buffer al file o viceversa. + +In caso di successo la funzione ritorna il numero di byte trasferiti, che può +essere, come per le normali funzioni di lettura e scrittura su file, inferiore +a quelli richiesti; un valore negativo indicherà un errore mentre un valore +nullo indicherà che non ci sono dati da trasferire (ad esempio si è giunti +alla fine del file in lettura). Si tenga presente che, a seconda del verso del +trasferimento dei dati, la funzione si comporta nei confronti del file +descriptor che fa riferimento al file ordinario, come \func{read} o +\func{write}, e pertanto potrà anche bloccarsi (a meno che non si sia aperto +il suddetto file in modalità non bloccante). + +I due argomenti \param{off\_in} e \param{off\_out} consentono di specificare, +come per l'analogo \param{offset} di \func{sendfile}, la posizione all'interno +del file da cui partire per il trasferimento dei dati. Come per +\func{sendfile} un valore nullo indica di usare la posizione corrente sul +file, ed essa sarà aggiornata automaticamente secondo il numero di byte +trasferiti. Un valore non nullo invece deve essere un puntatore ad una +variabile intera che indica la posizione da usare; questa verrà aggiornata, al +ritorno della funzione, al byte successivo all'ultimo byte trasferito. +Ovviamente soltanto uno di questi due argomenti, e più precisamente quello che +fa riferimento al file descriptor non associato alla \textit{pipe}, può essere +specificato come valore non nullo. + +Infine l'argomento \param{flags} consente di controllare alcune +caratteristiche del funzionamento della funzione; il contenuto è una maschera +binaria e deve essere specificato come OR aritmetico dei valori riportati in +tab.~\ref{tab:splice_flag}. Alcuni di questi valori vengono utilizzati anche +dalle funzioni \func{vmsplice} e \func{tee} per cui la tabella riporta le +descrizioni complete di tutti i valori possibili anche quando, come per +\const{SPLICE\_F\_GIFT}, questi non hanno effetto su \func{splice}. \begin{table}[htb] \centering \footnotesize - \begin{tabular}[c]{|l|p{7cm}|} + \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|} \hline \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ \hline \hline - \const{LOCK\_SH}& Richiede uno \textit{shared lock}. Più processi possono - mantenere un lock condiviso sullo stesso file.\\ - \const{LOCK\_EX}& Richiede un \textit{exclusive lock}. Un solo processo - alla volta può mantenere un lock esclusivo su un file. \\ - \const{LOCK\_UN}& Sblocca il file.\\ - \const{LOCK\_NB}& Non blocca la funzione quando il lock non è disponibile, - si specifica sempre insieme ad una delle altre operazioni - con un OR aritmetico dei valori.\\ - \hline + \const{SPLICE\_F\_MOVE} & Suggerisce al kernel di spostare le pagine + di memoria contenenti i dati invece di + copiarle;\footnotemark viene usato soltanto + da \func{splice}.\\ + \const{SPLICE\_F\_NONBLOCK}& Richiede di operare in modalità non + bloccante; questo flag influisce solo sulle + operazioni che riguardano l'I/O da e verso la + \textit{pipe}. Nel caso di \func{splice} + questo significa che la funzione potrà + comunque bloccarsi nell'accesso agli altri + file descriptor (a meno che anch'essi non + siano stati aperti in modalità non + bloccante).\\ + \const{SPLICE\_F\_MORE} & Indica al kernel che ci sarà l'invio di + ulteriori dati in una \func{splice} + successiva, questo è un suggerimento utile + che viene usato quando \param{fd\_out} è un + socket.\footnotemark Attualmente viene usato + solo da \func{splice}, potrà essere + implementato in futuro anche per + \func{vmsplice} e \func{tee}.\\ + \const{SPLICE\_F\_GIFT} & Le pagine di memoria utente sono + ``\textsl{donate}'' al kernel;\footnotemark + se impostato una seguente \func{splice} che + usa \const{SPLICE\_F\_MOVE} potrà spostare le + pagine con successo, altrimenti esse dovranno + essere copiate; per usare questa opzione i + dati dovranno essere opportunamente allineati + in posizione ed in dimensione alle pagine di + memoria. Viene usato soltanto da + \func{vmsplice}.\\ + \hline \end{tabular} - \caption{Valori possibili per l'argomento \param{cmd} di \func{lockf}.} - \label{tab:file_lockf_type} + \caption{Le costanti che identificano i bit della maschera binaria + dell'argomento \param{flags} di \func{splice}, \func{vmsplice} e + \func{tee}.} + \label{tab:splice_flag} \end{table} -Qualora il lock non possa essere acquisito, a meno di non aver specificato -\const{LOCK\_NB}, la funzione si blocca fino alla disponibilità dello stesso. -Dato che la funzione è implementata utilizzando \func{fcntl} la semantica -delle operazioni è la stessa di quest'ultima (pertanto la funzione non è -affatto equivalente a \func{flock}). +\footnotetext{per una maggiore efficienza \func{splice} usa quando possibile i + meccanismi della memoria virtuale per eseguire i trasferimenti di dati (in + maniera analoga a \func{mmap}), qualora le pagine non possano essere + spostate dalla pipe o il buffer non corrisponda a pagine intere esse saranno + comunque copiate.} + +\footnotetext{questa opzione consente di utilizzare delle opzioni di gestione + dei socket che permettono di ottimizzare le trasmissioni via rete, si veda + la descrizione di \const{TCP\_CORK} in sez.~\ref{sec:sock_tcp_udp_options} e + quella di \const{MSG\_MORE} in sez.~\ref{sec:net_sendmsg}.} + +\footnotetext{questo significa che la cache delle pagine e i dati su disco + potranno differire, e che l'applicazione non potrà modificare quest'area di + memoria.} + +Per capire meglio il funzionamento di \func{splice} vediamo un esempio con un +semplice programma che usa questa funzione per effettuare la copia di un file +su un altro senza utilizzare buffer in user space. Il programma si chiama +\texttt{splicecp.c} ed il codice completo è disponibile coi sorgenti allegati +alla guida, il corpo principale del programma, che non contiene la sezione di +gestione delle opzioni e le funzioni di ausilio è riportato in +fig.~\ref{fig:splice_example}. + +Lo scopo del programma è quello di eseguire la copia dei con \func{splice}, +questo significa che si dovrà usare la funzione due volte, prima per leggere i +dati e poi per scriverli, appoggiandosi ad un buffer in kernel space (vale a +dire ad una \textit{pipe}); lo schema del flusso dei dati è illustrato in +fig.~\ref{fig:splicecp_data_flux}. +\begin{figure}[htb] + \centering + \includegraphics[height=6cm]{img/splice_copy} + \caption{Struttura del flusso di dati usato dal programma \texttt{splicecp}.} + \label{fig:splicecp_data_flux} +\end{figure} +Una volta trattate le opzioni il programma verifica che restino +(\texttt{\small 13--16}) i due argomenti che indicano il file sorgente ed il +file destinazione. Il passo successivo è aprire il file sorgente +(\texttt{\small 18--22}), quello di destinazione (\texttt{\small 23--27}) ed +infine (\texttt{\small 28--31}) la \textit{pipe} che verrà usata come buffer. -\subsection{Il \textit{mandatory locking}} -\label{sec:file_mand_locking} +\begin{figure}[!phtb] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includecodesample{listati/splicecp.c} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{Esempio di codice che usa \func{splice} per effettuare la copia di + un file.} + \label{fig:splice_example} +\end{figure} -Il \textit{mandatory locking} è una opzione introdotta inizialmente in SVr4, -per introdurre un file locking che, come dice il nome, fosse effettivo -indipendentemente dai controlli eseguiti da un processo. Con il -\textit{mandatory locking} infatti è possibile far eseguire il blocco del file -direttamente al sistema, così che, anche qualora non si predisponessero le -opportune verifiche nei processi, questo verrebbe comunque rispettato. +Il ciclo principale (\texttt{\small 33--58}) inizia con la lettura dal file +sorgente tramite la prima \func{splice} (\texttt{\small 34--35}), in questo +caso si è usato come primo argomento il file descriptor del file sorgente e +come terzo quello del capo in scrittura della \textit{pipe} (il funzionamento +delle \textit{pipe} e l'uso della coppia di file descriptor ad esse associati +è trattato in dettaglio in sez.~\ref{sec:ipc_unix}; non ne parleremo qui dato +che nell'ottica dell'uso di \func{splice} questa operazione corrisponde +semplicemente al trasferimento dei dati dal file al buffer). + +La lettura viene eseguita in blocchi pari alla dimensione specificata +dall'opzione \texttt{-s} (il default è 4096); essendo in questo caso +\func{splice} equivalente ad una \func{read} sul file, se ne controlla il +valore di uscita in \var{nread} che indica quanti byte sono stati letti, se +detto valore è nullo (\texttt{\small 36}) questo significa che si è giunti +alla fine del file sorgente e pertanto l'operazione di copia è conclusa e si +può uscire dal ciclo arrivando alla conclusione del programma (\texttt{\small + 59}). In caso di valore negativo (\texttt{\small 37--44}) c'è stato un +errore ed allora si ripete la lettura (\texttt{\small 36}) se questo è dovuto +ad una interruzione, o altrimenti si esce con un messaggio di errore +(\texttt{\small 41--43}). + +Una volta completata con successo la lettura si avvia il ciclo di scrittura +(\texttt{\small 45--57}); questo inizia (\texttt{\small 46--47}) con la +seconda \func{splice} che cerca di scrivere gli \var{nread} byte letti, si +noti come in questo caso il primo argomento faccia di nuovo riferimento alla +\textit{pipe} (in questo caso si usa il capo in lettura, per i dettagli si +veda al solito sez.~\ref{sec:ipc_unix}) mentre il terzo sia il file descriptor +del file di destinazione. + +Di nuovo si controlla il numero di byte effettivamente scritti restituito in +\var{nwrite} e in caso di errore al solito si ripete la scrittura se questo è +dovuto a una interruzione o si esce con un messaggio negli altri casi +(\texttt{\small 48--55}). Infine si chiude il ciclo di scrittura sottraendo +(\texttt{\small 57}) il numero di byte scritti a quelli di cui è richiesta la +scrittura,\footnote{in questa parte del ciclo \var{nread}, il cui valore + iniziale è dato dai byte letti dalla precedente chiamata a \func{splice}, + viene ad assumere il significato di byte da scrivere.} così che il ciclo di +scrittura venga ripetuto fintanto che il valore risultante sia maggiore di +zero, indice che la chiamata a \func{splice} non ha esaurito tutti i dati +presenti sul buffer. + +Si noti come il programma sia concettualmente identico a quello che si sarebbe +scritto usando \func{read} al posto della prima \func{splice} e \func{write} +al posto della seconda, utilizzando un buffer in user space per eseguire la +copia dei dati, solo che in questo caso non è stato necessario allocare nessun +buffer e non si è trasferito nessun dato in user space. + +Si noti anche come si sia usata la combinazione \texttt{SPLICE\_F\_MOVE | + SPLICE\_F\_MORE } per l'argomento \param{flags} di \func{splice}, infatti +anche se un valore nullo avrebbe dato gli stessi risultati, l'uso di questi +flag, che si ricordi servono solo a dare suggerimenti al kernel, permette in +genere di migliorare le prestazioni. + +Come accennato con l'introduzione di \func{splice} sono state realizzate altre +due system call, \func{vmsplice} e \func{tee}, che utilizzano la stessa +infrastruttura e si basano sullo stesso concetto di manipolazione e +trasferimento di dati attraverso un buffer in kernel space; benché queste non +attengono strettamente ad operazioni di trasferimento dati fra file +descriptor, le tratteremo qui. + +La prima funzione, \funcd{vmsplice}, è la più simile a \func{splice} e come +indica il suo nome consente di trasferire i dati dalla memoria di un processo +verso una \textit{pipe}, il suo prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} + \headdecl{sys/uio.h} -Per poter utilizzare il \textit{mandatory locking} è stato introdotto un -utilizzo particolare del bit \acr{sgid}. Se si ricorda quanto esposto in -\secref{sec:file_suid_sgid}), esso viene di norma utilizzato per cambiare il -group-ID effettivo con cui viene eseguito un programma, ed è pertanto sempre -associato alla presenza del permesso di esecuzione per il gruppo. Impostando -questo bit su un file senza permesso di esecuzione in un sistema che supporta -il \textit{mandatory locking}, fa sì che quest'ultimo venga attivato per il -file in questione. In questo modo una combinazione dei permessi -originariamente non contemplata, in quanto senza significato, diventa -l'indicazione della presenza o meno del \textit{mandatory - locking}.\footnote{un lettore attento potrebbe ricordare quanto detto in - \secref{sec:file_chmod} e cioè che il bit \acr{sgid} viene cancellato (come - misura di sicurezza) quando di scrive su un file, questo non vale quando - esso viene utilizzato per attivare il \textit{mandatory locking}.} + \funcdecl{long vmsplice(int fd, const struct iovec *iov, unsigned long + nr\_segs, unsigned int flags)} + + Trasferisce dati dalla memoria di un processo verso una \textit{pipe}. -L'uso del \textit{mandatory locking} presenta vari aspetti delicati, dato che -neanche root può passare sopra ad un lock; pertanto un processo che blocchi un -file cruciale può renderlo completamente inaccessibile, rendendo completamente -inutilizzabile il sistema\footnote{il problema si potrebbe risolvere - rimuovendo il bit \acr{sgid}, ma non è detto che sia così facile fare questa - operazione con un sistema bloccato.} inoltre con il \textit{mandatory - locking} si può bloccare completamente un server NFS richiedendo una lettura -su un file su cui è attivo un lock. Per questo motivo l'abilitazione del -mandatory locking è di norma disabilitata, e deve essere attivata filesystem -per filesystem in fase di montaggio (specificando l'apposita opzione di -\func{mount} riportata in \tabref{tab:sys_mount_flags}, o con l'opzione -\cmd{mand} per il comando). + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte trasferiti in caso di + successo e $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno + dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] o \param{fd} non è un file descriptor valido o non + fa riferimento ad una \textit{pipe}. + \item[\errcode{EINVAL}] si è usato un valore nullo per \param{nr\_segs} + oppure si è usato \const{SPLICE\_F\_GIFT} ma la memoria non è allineata. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria sufficiente per l'operazione + richiesta. + \end{errlist} + } +\end{functions} -Si tenga presente inoltre che il \textit{mandatory locking} funziona solo -sull'interfaccia POSIX di \func{fcntl}. Questo ha due conseguenze: che non si -ha nessun effetto sui lock richiesti con l'interfaccia di \func{flock}, e che -la granularità del lock è quella del singolo byte, come per \func{fcntl}. +La \textit{pipe} dovrà essere specificata tramite il file descriptor +corrispondente al suo capo aperto in scrittura (di nuovo si faccia riferimento +a sez.~\ref{sec:ipc_unix}), mentre per indicare quali zone di memoria devono +essere trasferita si deve utilizzare un vettore di strutture \struct{iovec} +(vedi fig.~\ref{fig:file_iovec}), con le stesse con cui le si usano per l'I/O +vettorizzato; le dimensioni del suddetto vettore devono essere passate +nell'argomento \param{nr\_segs} che indica il numero di segmenti di memoria da +trasferire. Sia per il vettore che per il valore massimo di \param{nr\_segs} +valgono le stesse limitazioni illustrate in sez.~\ref{sec:file_multiple_io}. + +In caso di successo la funzione ritorna il numero di byte trasferiti sulla +pipe, in generale (se i dati una volta creati non devono essere riutilizzati) +è opportuno utilizzare il flag \const{SPLICE\_F\_GIFT}; questo fa si che il +kernel possa rimuovere le relative pagine dallo spazio degli indirizzi del +processo, e scaricarle nella cache, così che queste possono essere utilizzate +immediatamente senza necessità di eseguire una copia dei dati che contengono. + +La seconda funzione aggiunta insieme a \func{splice} è \func{tee}, che deve il +suo nome all'omonimo comando in user space, perché in analogia con questo +permette di duplicare i dati in ingresso su una \textit{pipe} su un'altra +\textit{pipe}. In sostanza, sempre nell'ottica della manipolazione dei dati su +dei buffer in kernel space, la funzione consente di eseguire una copia del +contenuto del buffer stesso. Il prototipo di \funcd{tee} è il seguente: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} -La sintassi di acquisizione dei lock è esattamente la stessa vista in -precedenza per \func{fcntl} e \func{lockf}, la differenza è che in caso di -mandatory lock attivato non è più necessario controllare la disponibilità di -accesso al file, ma si potranno usare direttamente le ordinarie funzioni di -lettura e scrittura e sarà compito del kernel gestire direttamente il file -locking. - -Questo significa che in caso di read lock la lettura dal file potrà avvenire -normalmente con \func{read}, mentre una \func{write} si bloccherà fino al -rilascio del lock, a meno di non aver aperto il file con \const{O\_NONBLOCK}, -nel qual caso essa ritornerà immediatamente con un errore di \errcode{EAGAIN}. - -Se invece si è acquisito un write lock tutti i tentativi di leggere o scrivere -sulla regione del file bloccata fermeranno il processo fino al rilascio del -lock, a meno che il file non sia stato aperto con \const{O\_NONBLOCK}, nel -qual caso di nuovo si otterrà un ritorno immediato con l'errore di -\errcode{EAGAIN}. + \funcdecl{long tee(int fd\_in, int fd\_out, size\_t len, unsigned int + flags)} + + Duplica \param{len} byte da una \textit{pipe} ad un'altra. -Infine occorre ricordare che le funzioni di lettura e scrittura non sono le -sole ad operare sui contenuti di un file, e che sia \func{creat} che -\func{open} (quando chiamata con \const{O\_TRUNC}) effettuano dei cambiamenti, -così come \func{truncate}, riducendone le dimensioni (a zero nei primi due -casi, a quanto specificato nel secondo). Queste operazioni sono assimilate a -degli accessi in scrittura e pertanto non potranno essere eseguite (fallendo -con un errore di \errcode{EAGAIN}) su un file su cui sia presente un qualunque -lock (le prime due sempre, la terza solo nel caso che la riduzione delle -dimensioni del file vada a sovrapporsi ad una regione bloccata). + \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte copiati in caso di + successo e $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno + dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EINVAL}] o uno fra \param{fd\_in} e \param{fd\_out} non fa + riferimento ad una \textit{pipe} o entrambi fanno riferimento alla + stessa \textit{pipe}. + \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è memoria sufficiente per l'operazione + richiesta. + \end{errlist} + } +\end{functions} -L'ultimo aspetto della interazione del \textit{mandatory locking} con le -funzioni di accesso ai file è quello relativo ai file mappati in memoria (che -abbiamo trattato in \secref{sec:file_memory_map}); anche in tal caso infatti, -quando si esegue la mappatura con l'opzione \const{MAP\_SHARED}, si ha un -accesso al contenuto del file. Lo standard SVID prevede che sia impossibile -eseguire il memory mapping di un file su cui sono presenti dei -lock\footnote{alcuni sistemi, come HP-UX, sono ancora più restrittivi e lo - impediscono anche in caso di \textit{advisory locking}, anche se questo - comportamento non ha molto senso, dato che comunque qualunque accesso - diretto al file è consentito.} in Linux è stata però fatta la scelta -implementativa\footnote{per i dettagli si possono leggere le note relative - all'implementazione, mantenute insieme ai sorgenti del kernel nel file - \file{Documentation/mandatory.txt}.} di seguire questo comportamento -soltanto quando si chiama \func{mmap} con l'opzione \const{MAP\_SHARED} (nel -qual caso la funzione fallisce con il solito \errcode{EAGAIN}) che comporta la -possibilità di modificare il file. -\index{file!locking|)} +La funzione copia \param{len} byte del contenuto di una \textit{pipe} su di +un'altra; \param{fd\_in} deve essere il capo in lettura della \textit{pipe} +sorgente e \param{fd\_out} il capo in scrittura della \textit{pipe} +destinazione; a differenza di quanto avviene con \func{read} i dati letti con +\func{tee} da \func{fd\_in} non vengono \textsl{consumati} e restano +disponibili sulla \textit{pipe} per una successiva lettura (di nuovo per il +comportamento delle \textit{pipe} si veda sez.~\ref{sec:ipc_unix}). + +La funzione restituisce il numero di byte copiati da una \textit{pipe} +all'altra (o $-1$ in caso di errore), un valore nullo indica che non ci sono +byte disponibili da copiare e che il capo in scrittura della pipe è stato +chiuso.\footnote{si tenga presente però che questo non avviene se si è + impostato il flag \const{SPLICE\_F\_NONBLOCK}, in tal caso infatti si + avrebbe un errore di \errcode{EAGAIN}.} Un esempio di realizzazione del +comando \texttt{tee} usando questa funzione, ripreso da quello fornito nella +pagina di manuale e dall'esempio allegato al patch originale, è riportato in +fig.~\ref{fig:tee_example}. Il programma consente di copiare il contenuto +dello standard input sullo standard output e su un file specificato come +argomento, il codice completo si trova nel file \texttt{tee.c} dei sorgenti +allegati alla guida. + +\begin{figure}[!htbp] + \footnotesize \centering + \begin{minipage}[c]{15cm} + \includecodesample{listati/tee.c} + \end{minipage} + \normalsize + \caption{Esempio di codice che usa \func{tee} per copiare i dati dello + standard input sullo standard output e su un file.} + \label{fig:tee_example} +\end{figure} + +La prima parte del programma (\texttt{\small 10--35}) si cura semplicemente di +controllare (\texttt{\small 11--14}) che sia stato fornito almeno un argomento +(il nome del file su cui scrivere), di aprirlo ({\small 15--19}) e che sia lo +standard input (\texttt{\small 20--27}) che lo standard output (\texttt{\small + 28--35}) corrispondano ad una \textit{pipe}. + +Il ciclo principale (\texttt{\small 37--58}) inizia con la chiamata a +\func{tee} che duplica il contenuto dello standard input sullo standard output +(\texttt{\small 39}), questa parte è del tutto analoga ad una lettura ed +infatti come nell'esempio di fig.~\ref{fig:splice_example} si controlla il +valore di ritorno della funzione in \var{len}; se questo è nullo significa che +non ci sono più dati da leggere e si chiude il ciclo (\texttt{\small 40}), se +è negativo c'è stato un errore, ed allora si ripete la chiamata se questo è +dovuto ad una interruzione (\texttt{\small 42--44}) o si stampa un messaggio +di errore e si esce negli altri casi (\texttt{\small 44--47}). + +Una volta completata la copia dei dati sullo standard output si possono +estrarre dalla standard input e scrivere sul file, di nuovo su usa un ciclo di +scrittura (\texttt{\small 50--58}) in cui si ripete una chiamata a +\func{splice} (\texttt{\small 51}) fintanto che non si sono scritti tutti i +\var{len} byte copiati in precedenza con \func{tee} (il funzionamento è +identico all'analogo ciclo di scrittura del precedente esempio di +fig.~\ref{fig:splice_example}). + +Infine una nota finale riguardo \func{splice}, \func{vmsplice} e \func{tee}: +occorre sottolineare che benché finora si sia parlato di trasferimenti o copie +di dati in realtà nella implementazione di queste system call non è affatto +detto che i dati vengono effettivamente spostati o copiati, il kernel infatti +realizza le \textit{pipe} come un insieme di puntatori\footnote{per essere + precisi si tratta di un semplice buffer circolare, un buon articolo sul tema + si trova su \href{http://lwn.net/Articles/118750/} + {\textsf{http://lwn.net/Articles/118750/}}.} alle pagine di memoria interna +che contengono i dati, per questo una volta che i dati sono presenti nella +memoria del kernel tutto quello che viene fatto è creare i suddetti puntatori +ed aumentare il numero di referenze; questo significa che anche con \func{tee} +non viene mai copiato nessun byte, vengono semplicemente copiati i puntatori. + +% TODO?? dal 2.6.25 splice ha ottenuto il supporto per la ricezione su rete + + +\subsection{Gestione avanzata dell'accesso ai dati dei file} +\label{sec:file_fadvise} + +Nell'uso generico dell'interfaccia per l'accesso al contenuto dei file le +operazioni di lettura e scrittura non necessitano di nessun intervento di +supervisione da parte dei programmi, si eseguirà una \func{read} o una +\func{write}, i dati verranno passati al kernel che provvederà ad effettuare +tutte le operazioni (e a gestire il \textit{caching} dei dati) per portarle a +termine in quello che ritiene essere il modo più efficiente. + +Il problema è che il concetto di migliore efficienza impiegato dal kernel è +relativo all'uso generico, mentre esistono molti casi in cui ci sono esigenze +specifiche dei singoli programmi, che avendo una conoscenza diretta di come +verranno usati i file, possono necessitare di effettuare delle ottimizzazioni +specifiche, relative alle proprie modalità di I/O sugli stessi. Tratteremo in +questa sezione una serie funzioni che consentono ai programmi di ottimizzare +il loro accesso ai dati dei file e controllare la gestione del relativo +\textit{caching}. + +Una prima funzione che può essere utilizzata per modificare la gestione +ordinaria dell'I/O su un file è \funcd{readahead},\footnote{questa è una + funzione specifica di Linux, introdotta con il kernel 2.4.13, e non deve + essere usata se si vogliono scrivere programmi portabili.} che consente di +richiedere una lettura anticipata del contenuto dello stesso in cache, così +che le seguenti operazioni di lettura non debbano subire il ritardo dovuto +all'accesso al disco; il suo prototipo è: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} + + \funcdecl{ssize\_t readahead(int fd, off64\_t *offset, size\_t count)} + + Esegue una lettura preventiva del contenuto di un file in cache. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] l'argomento \param{fd} non è un file descriptor + valido o non è aperto in lettura. + \item[\errcode{EINVAL}] l'argomento \param{fd} si riferisce ad un tipo di + file che non supporta l'operazione (come una pipe o un socket). + \end{errlist} + } +\end{functions} + +La funzione richiede che venga letto in anticipo il contenuto del file +\param{fd} a partire dalla posizione \param{offset} e per un ammontare di +\param{count} byte, in modo da portarlo in cache. La funzione usa la +\index{memoria~virtuale} memoria virtuale ed il meccanismo della +\index{paginazione} paginazione per cui la lettura viene eseguita in blocchi +corrispondenti alle dimensioni delle pagine di memoria, ed i valori di +\param{offset} e \param{count} arrotondati di conseguenza. + +La funzione estende quello che è un comportamento normale del +kernel\footnote{per ottimizzare gli accessi al disco il kernel quando si legge + un file, aspettandosi che l'accesso prosegua, esegue sempre una lettura + anticipata di una certa quantità di dati; questo meccanismo viene chiamato + \textit{readahead}, da cui deriva il nome della funzione.} effettuando la +lettura in cache della sezione richiesta e bloccandosi fintanto che questa non +viene completata. La posizione corrente sul file non viene modificata ed +indipendentemente da quanto indicato con \param{count} la lettura dei dati si +interrompe una volta raggiunta la fine del file. + +Si può utilizzare questa funzione per velocizzare le operazioni di lettura +all'interno del programma tutte le volte che si conosce in anticipo quanti +dati saranno necessari in seguito. Si potrà così concentrare in un unico +momento (ad esempio in fase di inizializzazione) la lettura, così da ottenere +una migliore risposta nelle operazioni successive. + +Il concetto di \func{readahead} viene generalizzato nello standard +POSIX.1-2001 dalla funzione \funcd{posix\_fadvise},\footnote{anche se + l'argomento \param{len} è stato modificato da \ctyp{size\_t} a \ctyp{off\_t} + nella revisione POSIX.1-2003 TC5.} che consente di ``\textsl{avvisare}'' il +kernel sulle modalità con cui si intende accedere nel futuro ad una certa +porzione di un file,\footnote{la funzione però è stata introdotta su Linux + solo a partire dal kernel 2.5.60.} così che esso possa provvedere le +opportune ottimizzazioni; il suo prototipo, che può è disponibile solo se si +definisce la macro \macro{\_XOPEN\_SOURCE} ad almeno 600, è: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} + + \funcdecl{int posix\_fadvise(int fd, off\_t offset, off\_t len, int advice)} + + Dichiara al kernel le future modalità di accesso ad un file. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di + errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] l'argomento \param{fd} non è un file descriptor + valido. + \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{advice} non è valido o + \param{fd} si riferisce ad un tipo di file che non supporta l'operazione + (come una pipe o un socket). + \item[\errcode{ESPIPE}] previsto dallo standard se \param{fd} è una pipe o + un socket (ma su Linux viene restituito \errcode{EINVAL}). + \end{errlist} + } +\end{functions} + +La funzione dichiara al kernel le modalità con cui intende accedere alla +regione del file indicato da \param{fd} che inizia alla posizione +\param{offset} e si estende per \param{len} byte. Se per \param{len} si usa un +valore nullo la regione coperta sarà da \param{offset} alla fine del +file.\footnote{questo è vero solo per le versioni più recenti, fino al kernel + 2.6.6 il valore nullo veniva interpretato letteralmente.} Le modalità sono +indicate dall'argomento \param{advice} che è una maschera binaria dei valori +illustrati in tab.~\ref{tab:posix_fadvise_flag}. Si tenga presente comunque +che la funzione dà soltanto un avvertimento, non esiste nessun vincolo per il +kernel, che utilizza semplicemente l'informazione. + +\begin{table}[htb] + \centering + \footnotesize + \begin{tabular}[c]{|l|p{10cm}|} + \hline + \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\ + \hline + \hline + \const{POSIX\_FADV\_NORMAL} & Non ci sono avvisi specifici da fare + riguardo le modalità di accesso, il + comportamento sarà identico a quello che si + avrebbe senza nessun avviso.\\ + \const{POSIX\_FADV\_SEQUENTIAL}& L'applicazione si aspetta di accedere di + accedere ai dati specificati in maniera + sequenziale, a partire dalle posizioni più + basse.\\ + \const{POSIX\_FADV\_RANDOM} & I dati saranno letti in maniera + completamente causale.\\ + \const{POSIX\_FADV\_NOREUSE} & I dati saranno acceduti una sola volta.\\ + \const{POSIX\_FADV\_WILLNEED}& I dati saranno acceduti a breve.\\ + \const{POSIX\_FADV\_DONTNEED}& I dati non saranno acceduti a breve.\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{Valori dei bit dell'argomento \param{advice} di + \func{posix\_fadvise} che indicano la modalità con cui si intende accedere + ad un file.} + \label{tab:posix_fadvise_flag} +\end{table} +Anche \func{posix\_fadvise} si appoggia al sistema della memoria virtuale ed +al meccanismo standard del \textit{readahead} utilizzato dal kernel; in +particolare con \const{POSIX\_FADV\_SEQUENTIAL} si raddoppia la dimensione +dell'ammontare di dati letti preventivamente rispetto al default, aspettandosi +appunto una lettura sequenziale che li utilizzerà, mentre con +\const{POSIX\_FADV\_RANDOM} si disabilita del tutto il suddetto meccanismo, +dato che con un accesso del tutto casuale è inutile mettersi a leggere i dati +immediatamente successivi gli attuali; infine l'uso di +\const{POSIX\_FADV\_NORMAL} consente di riportarsi al comportamento di +default. + +Le due modalità \const{POSIX\_FADV\_NOREUSE} e \const{POSIX\_FADV\_WILLNEED} +danno invece inizio ad una lettura in cache della regione del file indicata. +La quantità di dati che verranno letti è ovviamente limitata in base al carico +che si viene a creare sul sistema della memoria virtuale, ma in genere una +lettura di qualche megabyte viene sempre soddisfatta (ed un valore superiore è +solo raramente di qualche utilità). In particolare l'uso di +\const{POSIX\_FADV\_WILLNEED} si può considerare l'equivalente POSIX di +\func{readahead}. + +Infine con \const{POSIX\_FADV\_DONTNEED} si dice al kernel di liberare le +pagine di cache occupate dai dati presenti nella regione di file indicata. +Questa è una indicazione utile che permette di alleggerire il carico sulla +cache, ed un programma può utilizzare periodicamente questa funzione per +liberare pagine di memoria da dati che non sono più utilizzati per far posto a +nuovi dati utili.\footnote{la pagina di manuale riporta l'esempio dello + streaming di file di grosse dimensioni, dove le pagine occupate dai dati già + inviati possono essere tranquillamente scartate.} + +Sia \func{posix\_fadvise} che \func{readahead} attengono alla ottimizzazione +dell'accesso in lettura; lo standard POSIX.1-2001 prevede anche una funzione +specifica per le operazioni di scrittura, \func{posix\_fallocate},\footnote{la + funzione è stata introdotta a partire dalle glibc 2.1.94.} che consente di +preallocare dello spazio disco per assicurarsi che una seguente scrittura non +fallisca, il suo prototipo, anch'esso disponibile solo se si definisce la +macro \macro{\_XOPEN\_SOURCE} ad almeno 600, è: +\begin{functions} + \headdecl{fcntl.h} + + \funcdecl{int posix\_fallocate(int fd, off\_t offset, off\_t len)} + + Richiede la allocazione di spazio disco per un file. + + \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e direttamente un + codice di errore, in caso di fallimento, in questo caso \var{errno} non + viene impostata, ma sarà restituito direttamente uno dei valori: + \begin{errlist} + \item[\errcode{EBADF}] l'argomento \param{fd} non è un file descriptor + valido o non è aperto in scrittura. + \item[\errcode{EINVAL}] o \param{offset} o \param{len} sono minori di + zero. + \item[\errcode{EFBIG}] il valore di (\param{offset} + \param{len}) eccede + la dimensione massima consentita per un file. + \item[\errcode{ENODEV}] l'argomento \param{fd} non fa riferimento ad un + file regolare. + \item[\errcode{ENOSPC}] non c'è sufficiente spazio disco per eseguire + l'operazione. + \item[\errcode{ESPIPE}] l'argomento \param{fd} è una pipe. + \end{errlist} + } +\end{functions} +La funzione si assicura che venga allocato sufficiente spazio disco perché sia +possibile scrivere sul file indicato dall'argomento \param{fd} nella regione +che inizia dalla posizione \param{offset} e si estende per \param{len} byte; +se questa si estende oltre la fine del file le dimensioni di quest'ultimo +saranno incrementate di conseguenza. Dopo aver eseguito con successo la +funzione è garantito che una scrittura nella regione indicata non fallirà per +mancanza di spazio disco. + +% TODO controllare la trattazione della nuova funzionalità di preallocazione + +% TODO documentare \func{posix\_fadvise} +% vedi http://insights.oetiker.ch/linux/fadvise.html +% questo tread? http://www.ussg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0703.1/0032.html + +% TODO documentare \func{fallocate}, introdotta con il 2.6.23 +% vedi http://lwn.net/Articles/226710/ e http://lwn.net/Articles/240571/ +% http://kernelnewbies.org/Linux_2_6_23 +% \func{fallocate} con il 2.6.25 supporta pure XFS + + +%\subsection{L'utilizzo delle porte di I/O} +%\label{sec:file_io_port} +% +% TODO l'I/O sulle porte di I/O +% consultare le manpage di ioperm, iopl e outb + + + + + +% LocalWords: dell'I locking multiplexing cap dell' sez system call socket BSD +% LocalWords: descriptor client deadlock NONBLOCK EAGAIN polling select kernel +% LocalWords: pselect like sys unistd int fd readfds writefds exceptfds struct +% LocalWords: timeval errno EBADF EINTR EINVAL ENOMEM sleep tab signal void of +% LocalWords: CLR ISSET SETSIZE POSIX read NULL nell'header l'header glibc fig +% LocalWords: libc header psignal sigmask SOURCE XOPEN timespec sigset race DN +% LocalWords: condition sigprocmask tut self trick oldmask poll XPG pollfd l'I +% LocalWords: ufds unsigned nfds RLIMIT NOFILE EFAULT ndfs events revents hung +% LocalWords: POLLIN POLLRDNORM POLLRDBAND POLLPRI POLLOUT POLLWRNORM POLLERR +% LocalWords: POLLWRBAND POLLHUP POLLNVAL POLLMSG SysV stream ASYNC SETOWN FAQ +% LocalWords: GETOWN fcntl SETFL SIGIO SETSIG Stevens driven siginfo sigaction +% LocalWords: all'I nell'I Frequently Unanswered Question SIGHUP lease holder +% LocalWords: breaker truncate write SETLEASE arg RDLCK WRLCK UNLCK GETLEASE +% LocalWords: uid capabilities capability EWOULDBLOCK notify dall'OR ACCESS st +% LocalWords: pread readv MODIFY pwrite writev ftruncate creat mknod mkdir buf +% LocalWords: symlink rename DELETE unlink rmdir ATTRIB chown chmod utime lio +% LocalWords: MULTISHOT thread linkando librt layer aiocb asyncronous control +% LocalWords: block ASYNCHRONOUS lseek fildes nbytes reqprio PRIORITIZED sigev +% LocalWords: PRIORITY SCHEDULING opcode listio sigevent signo value function +% LocalWords: aiocbp ENOSYS append error const EINPROGRESS fsync return ssize +% LocalWords: DSYNC fdatasync SYNC cancel ECANCELED ALLDONE CANCELED suspend +% LocalWords: NOTCANCELED list nent timout sig NOP WAIT NOWAIT size count iov +% LocalWords: iovec vector EOPNOTSUPP EISDIR len memory mapping mapped swap NB +% LocalWords: mmap length prot flags off MAP FAILED ANONYMOUS EACCES SHARED SH +% LocalWords: only ETXTBSY DENYWRITE ENODEV filesystem EPERM EXEC noexec table +% LocalWords: ENFILE lenght segment violation SIGSEGV FIXED msync munmap copy +% LocalWords: DoS Denial Service EXECUTABLE NORESERVE LOCKED swapping stack fs +% LocalWords: GROWSDOWN ANON GiB POPULATE prefaulting SIGBUS fifo VME fork old +% LocalWords: exec atime ctime mtime mprotect addr EACCESS mremap address new +% LocalWords: long MAYMOVE realloc VMA virtual Ingo Molnar remap pages pgoff +% LocalWords: dall' fault cache linker prelink advisory discrectionary lock fl +% LocalWords: flock shared exclusive operation dup inode linked NFS cmd ENOLCK +% LocalWords: EDEADLK whence SEEK CUR type pid GETLK SETLK SETLKW all'inode HP +% LocalWords: switch bsd lockf mandatory SVr sgid group root mount mand TRUNC +% LocalWords: SVID UX Documentation sendfile dnotify inotify NdA ppoll fds add +% LocalWords: init EMFILE FIONREAD ioctl watch char pathname uint mask ENOSPC +% LocalWords: dell'inode CLOSE NOWRITE MOVE MOVED FROM TO rm wd event page ctl +% LocalWords: attribute Universe epoll Solaris kqueue level triggered Jonathan +% LocalWords: Lemon BSDCON edge Libenzi kevent backporting epfd EEXIST ENOENT +% LocalWords: MOD wait EPOLLIN EPOLLOUT EPOLLRDHUP SOCK EPOLLPRI EPOLLERR one +% LocalWords: EPOLLHUP EPOLLET EPOLLONESHOT shot maxevents ctlv ALL DONT HPUX +% LocalWords: FOLLOW ONESHOT ONLYDIR FreeBSD EIO caching sysctl instances name +% LocalWords: watches IGNORED ISDIR OVERFLOW overflow UNMOUNT queued cookie ls +% LocalWords: NUL sizeof casting printevent nread limits sysconf SC wrapper Di +% LocalWords: splice result argument DMA controller zerocopy Linus Larry Voy +% LocalWords: Jens Anxboe vmsplice seek ESPIPE GIFT TCP CORK MSG splicecp nr +% LocalWords: nwrite segs patch readahead posix fadvise TC advice FADV NORMAL +% LocalWords: SEQUENTIAL NOREUSE WILLNEED DONTNEED streaming fallocate EFBIG %%% Local Variables: