Функции ввода-вывода из файла

Системный вызов read выполняет чтение обычного файла: number = read(fd,buffer,count);

где fd - дескриптор файла, возвращаемый функцией open, buffer - адрес структуры данных в пользовательском процессе, где будут размещаться считанные данные в случае успешного завершения выполнения функции read, count - количество байт, которые пользователю нужно прочитать, number - количество фактически прочитанных байт.

Синтаксис вызова системной функции write (писать): number = write(fd,buffer,count);

где переменные fd, buffer, count и number имеют тот же смысл, что и для вызова системной функции read. Алгоритм записи в обычный файл похож на алгоритм чтения из обычного файла. Однако если в файле отсутствует блок, соответствующий смещению в байтах до места, куда должна производиться запись, ядро выделяет блок, и присваивает ему номер в соответствии с точным указанием места в таблице содержимого индексного узла.

Обычное использование системных функций read и write обеспечивает последовательный доступ к файлу, однако процессы могут использовать вызов системной функции lseek для указания места в файле, где будет производиться ввод-вывод, и осуществления произвольного доступа к файлу. Синтаксис вызова системной функции: position = lseek(fd,offset,reference);

где fd - дескриптор файла, идентифицирующий файл, offset - смещение в байтах, а reference указывает, является ли значение offset смещением от начала файла, смещением от текущей позиции ввода-вывода или смещением от конца файла. Возвращаемое значение, position, является смещением в байтах до места, где будет начинаться следующая операция чтения или записи.

Современные архитектуры файловых систем

Современные ОС предоставляют пользователю возможность работать сразу с несколькими файловыми системами (Linux работает с Ext2fs, FAT и др.). Файловая система в традиционном понимании становится частью более общей многоуровневой структуры (см. рис. 12.12).

На верхнем уровне, на котором располагается так называемый диспетчер файловых систем (например, в Windows 95 этот компонент называется installable filesystem manager). Он связывает запросы прикладной программы с конкретной файловой системой.

Рис. 3.2.16. Архитектура современной файловой системы

Каждая файловая система (иногда говорят драйвер файловой системы) на этапе инициализации регистрируется у диспетчера, сообщая ему точки входа, для последующих обращений к данной файловой системе.

Та же идея поддержки нескольких файловых систем в рамках одной ОС может быть реализована по-другому, например, исходя из концепции виртуальной файловой системы. Виртуальная файловая система (vfs) представляет собой независимый от реализации уровень и опирается на реальные файловые системы (s5fs, ufs, FAT, NFS, FFS, Ext2fs). При этом возникают структуры данных виртуальной файловой системы, типа виртуальных индексных узлов vnode, которые обобщают индексные узлы конкретных систем .

Резюме

Реализация файловой системы связана с такими вопросами, как поддержка понятия логического блока диска, связывания имени файла и блоков его данных, проблемами разделения файлов и проблемами управления дискового пространства.

Наиболее распространенные способы выделения дискового пространства: непрерывное выделение, организация связного списка и система с индексными узлами.

Файловая система часто реализуется в виде слоеной модульной структуры. Нижние слои имеют дело с оборудованием, а верхние с символическими именами и логическими свойствами файлов.

Директории могут быть организованы различными способами и могут хранить атрибуты файла и адреса блоков файлов, а иногда для этого предназначается специальная структура (индексные узлы). Проблемы надежности и производительности файловой системы важнейшие аспекты ее дизайна.

Часть 3. Примеры файловых систем

Файловая система FAT

Аббревиатура FAT (file allocation table) означает «таблица размещения файлов». Этот термин относится к линейной табличной структуре со сведениями о файлах – именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местоположение файлов или их фрагментов в среде FAT. Элемент FAT определяет фактическую область диска, в котором хранится начало физического файла.

В файловой системе FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данных.

Системная область создается при форматировании и обновляется при манипулировании файловой структурой. Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому, и доступна через пользовательский интерфейс. Системная область состоит из следующих компонентов: загрузочной записи; зарезервированных секторов; таблицы размещения файлов (FAT); корневого каталога.

Таблица размещения файлов представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивается на кластеры. Кластер – один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (только в области данных). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT16 используется 16-битовое слово, следовательно, можно иметь до 2¹⁶ = 65536 кластеров.

Кластер – минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу или некорневому каталогу. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера. Когда программа отправляет запрос к ОС с требованием предоставить ей содержимое какого-либо файла ОС, просматривает запись корневого каталога для этого файла, чтобы найти первый кластер этого файла, затем обращается к элементу FAT для данного кластера для определения следующего кластера в цепочке, повторяя этот процесс до тех пор пока не будет найден последний кластер файла. ОС точно определяет какие кластеры принадлежат данному файлу и в какой последовательности. Способ носит название цепочки FAT.

Так как FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в ОЗУ и находится там максимально долго.

Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он размещается в фиксированном месте логического диска и имеет фиксированное число элементов. Поиск записей в корневом каталоге происходит линейно, т.е., чтобы найти нужную запись, ОС должна перебрать все записи последовательно друг за другом. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со следующей структурой:

- имя файла или каталога – 11 байт;

- атрибуты файла – 1 байт;

- резервное поле – 1 байт;

- время создания – 3 байта;

- дата создания – 2 байта;

- дата последнего доступа – 2 байта;

- зарезервировано – 2 байта;

- время последней модификации – 2 байта;

- номер начального кластера в FAT – 2 байта;

- размер файла – 4 байта.

Структура системы файлов является иерархической.