Страница:
| | | | средства | | | |
| | as | | | +----+ |
| | | +--------------+ | | |
| +----+ | | |
| | +-------+--------+-------+ wc | |
| | ld | vi | ed | grep | | |
| +----+-------+--------+-------+----+ |
| | Другие прикладные программы |
+---------+----------------------------------+
Рисунок 1.1. Архитектура системы UNIX
программ. Поскольку программы не зависят от аппаратуры, их легко переносить
из одной системы UNIX в другую, функционирующую на другом комплексе техни-
ческих средств, если только в этих программах не подразумевается работа с
конкретным оборудованием. Например, программы, расчитанные на определенный
размер машинного слова, гораздо труднее переводить на другие машины по срав-
нению с программами, не требующими подобных установлений.
Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi) и
показанные на внешнем по отношению к ядру слое, взаимодействуют с ядром при
помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обраще-
ния к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций,
которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между яд-
ром и программой. Некоторые из программ, приведенных на рисунке, в стандарт-
ных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ни-
ми могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как прог-
рамма a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором
с языка Си. Другие прикладные программы располагаются выше указанных прог-
рамм, на верхнем уровне, как это показано на рисунке. Например, стандартный
компилятор с языка Си, cc, располагается на самом внешнем слое: он вызывает
препроцессор для Си, ассемблер и загрузчик (компоновщик), т.е. отдельные
программы предыдущего уровня. Хотя на рисунке приведена двухуровневая иерар-
хия прикладных программ, пользователь может расширить иерархическую структу-
ру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программиро-
---------------------------
(***) В некоторых реализациях системы UNIX операционная система взаимодейст-
вует с собственной операционной системой, которая, в свою очередь,
взаимодействует с аппаратурой и выполняет необходимые функции по обс-
луживанию системы. В таких реализациях допускается инсталляция других
операционных систем с загрузкой под их управлением прикладных программ
параллельно с системой UNIX. Классическим примером подобной реализации
явилась система MERT [Lycklama 78a]. Более новым примером могут слу-
жить реализации для компьютеров серии IBM 370 [Felton 84] и UNIVAC
1100 [Bodenstab 84].
9
вания, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ,
выполняющих одну и ту же, общую задачу.
Многие прикладные подсистемы и программы, составляющие верхний уровень
системы, такие как командный процессор shell, редакторы, SCCS (система обра-
ботки исходных текстов программ) и пакеты программ подготовки документации,
постепенно становятся синонимом понятия "система UNIX". Однако все они поль-
зуются услугами программ нижних уровней и в конечном счете ядра с помощью
набора обращений к операционной системе. В версии V принято 64 типа обраще-
ний к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются
часто. Они имеют несложные параметры, что облегчает их использование, пре-
доставляя при этом большие возможности пользователю. Набор обращений к опе-
рационной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составля-
ют "тело" ядра, в связи с чем рассмотрение операционной системы UNIX в этой
книге сводится к подробному изучению и анализу обращений к системе и их вза-
имодействия между собой. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых
основывается выполнение всех прикладных программ в системе UNIX, и им же оп-
ределяются эти функции. В книге часто употребляются термины "система UNIX",
"ядро" или "система", однако при этом имеется ввиду ядро операционной систе-
мы UNIX, что и должно вытекать из контекста.
В этом разделе кратко рассматриваются главные детали системы UNIX, в
частности файловая система, среда выполнения процессов и элементы структур-
ных блоков (например, каналы). Подробное исследование взаимодействия этих
деталей с ядром содержится в последующих главах.
Файловая система UNIX характеризуется:
* иерархической структурой,
* согласованной обработкой массивов данных,
* возможностью создания и удаления файлов,
* динамическим расширением файлов,
* защитой информации в файлах,
* трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные ус-
тройства) как файлов.
Файловая система организована в виде дерева с одной исходной вершиной,
которая называется корнем (записывается: "/"); каждая вершина в древовидной
структуре файловой системы, кроме листьев, является каталогом файлов, а фай-
/
+-------------+------------+---------+---------+---------+
| | | | | |
fsl bin etc usr unix dev
+-+-+ +---+---+ | +-+-+ +-+-+
| | | | | | | | | |
mjb maury sh date who passwd src bin tty00 tty01
|
|
cmd
+---+---+
| |
date.c who.c
Рисунок 1.2. Пример древовидной структуры файловой системы
10
лы, соответствующие дочерним вершинам, являются либо каталогами, либо обыч-
ными файлами, либо файлами устройств. Имени файла предшествует указание пути
поиска, который описывает место расположения файла в иерархической структуре
файловой системы. Имя пути поиска состоит из компонент, разделенных между
собой наклонной чертой (/); каждая компонента
представляет собой набор символов, составляющих имя вершины (файла), которое
является уникальным для каталога (предыдущей компоненты), в котором оно со-
держится. Полное имя пути поиска начинается с указания наклонной черты и
идентифицирует файл (вершину), поиск которого ведется от корневой вершины
дерева файловой системы с обходом тех ветвей дерева файлов, которые соответ-
ствуют именам отдельных компонент. Так, пути "/etc/passwd", "/bin/who" и
"/usr/src/cmd/who.c" указывают на файлы, являющиеся вершинами дерева, изоб-
раженного на Рисунке 1.2, а пути "/bin/passwd" и "/usr/ src/date.c" содержат
неверный маршрут. Имя пути поиска необязательно должно начинаться с корня, в
нем следует указывать маршрут относительно текущего для выполняемого процес-
са каталога, при этом предыдущие символы "наклонная черта" в имени пути
опускаются. Так, например, если мы находимся в каталоге "/dev", то путь
"tty01" указывает файл, полное имя пути поиска для которого "/dev
/tty01".
Программы, выполняемые под управлением системы UNIX, не содержат никакой
информации относительно внутреннего формата, в котором ядро хранит файлы
данных, данные в программах представляются как бесформатный поток байтов.
Программы могут интерпретировать поток байтов по своему желанию, при этом
любая интерпретация никак не будет связана с фактическим способом хранения
данных в операционной системе. Так, синтаксические правила, определяющие за-
дание метода доступа к данным в файле, устанавливаются системой и являются
едиными для всех программ, однако семантика данных определяется конкретной
программой. Например, программа форматирования текста troff ищет в конце
каждой строки текста символы перехода на новую строку, а программа учета
системных ресурсов acctcom работает с записями фиксированной длины. Обе
программы пользуются одними и теми же системными средствами для осуществле-
ния доступа к данным в файле как к потоку байтов, и внутри себя преобразуют
этот поток по соответствующему формату. Если любая из программ обнаружит,
что формат данных неверен, она принимает соответствующие меры.
Каталоги похожи на обычные файлы в одном отношении; система представляет
информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя име-
на файлов в каталоге в объявленном формате для того, чтобы операционная сис-
тема и программы, такие как ls (выводит список имен и атрибутов файлов),
могли их обнаружить.
Права доступа к файлу регулируются установкой специальных битов разреше-
ния доступа, связанных с файлом. Устанавливая биты разрешения доступа, можно
независимо управлять выдачей разрешений на чтение, запись и выполнение для
трех категорий пользователей: владельца файла, группового пользователя и
прочих. Пользователи могут создавать файлы, если разрешен доступ к каталогу.
Вновь созданные файлы становятся листьями в древовидной структуре файловой
системы.
Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они
были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств,
становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к уст-
ройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; се-
мантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степе-
ни совпадает с семантикой операций чтения и записи обычных файлов. Способ
защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов: путем соответ-
ствующей установки битов разрешения доступа к ним (файлам). Поскольку имена
устройств выглядят так же, как и имена обычных файлов, и поскольку над уст-
ройствами и над обычными файлами выполняются одни и те же операции, большин-
ству программ нет необходимости различать внутри себя типы обрабатываемых
файлов.
11
Например, рассмотрим программу на языке Си (Рисунок 1.3), в которой соз-
дается новая копия существующего файла. Предположим, что исполняемая версия
программы имеет наименование copy. Для запуска программы пользователь вводит
с терминала:
copy oldfile newfile
где oldfile - имя существующего файла, а newfile - имя создаваемого файла.
Система выполняет процедуру main, присваивая аргументу argc значение коли-
чества параметров в списке argv, а каждому элементу массива argv значение
параметра, сообщенного пользователем. В приведенном примере argc имеет зна-
чение 3, элемент argv[0] содержит строку символов "copy" (имя программы ус-
ловно является нулевым параметром), argv[1] - строку символов "oldfile", а
argv[2] - строку символов "newfile". Затем программа проверяет, правильное
ли количество параметров было указано при ее запуске. Если это так, запуска-
ется операция open (открыть) для файла oldfile с параметром "read-only"
(только для чтения), в случае успешного выполнения которой запускается опе-
рация creat (открыть) для файла newfile. Режим доступа к вновь созданному
файлу описывается числом 0666 (в восьмиричном коде), что означает разрешение
доступа к файлу для чтения и записи для всех пользователей. Все обращения к
операционной системе в случае неудачи возвращают код -1; если же неудачно
завершаются операции open и creat, программа выдает сообщение и запускает
операцию exit (выйти) с возвращением кода состояния, равного 1, завершая
свою работу и указывая на возникновение ошибки.
Операции open и creat возвращают целое значение, являющееся дескриптором
файла и используемое программой в последующих ссылках на файлы. После этого
программа вызывает подпрограмму copy, выполняющую в цикле операцию read (чи-
тать), по которой производится чтение в буфер порции символов из существую-
щего файла, и операцию write (писать) для записи информации в новый файл.
Операция read каждый раз возвращает количество прочитанных байтов (0 - если
достигнут конец файла). Цикл завершается, если достигнут конец файла или ес-
ли произошла ошибка при выполнении операции read (отсутствует контроль воз-
никновения ошибок при выполнении операции write). Затем управление из подп-
рограммы copy возвращается в основную программу и запускается операция exit
с кодом состояния 0 в качестве параметра, что указывает на успешное заверше-
ние выполнения программы.
Программа копирует любые файлы, указанные при ее вызове в качестве аргу-
ментов, при условии, что разрешено открытие существующего файла и создание
нового файла. Файл может включать в себя как текст, который может быть выве-
ден на печатающее устройство, например, исходный текст программы, так и сим-
волы, не выводимые на печать, даже саму программу. Таким образом, оба вызо-
ва:
copy copy.c newcopy.c
copy copy newcopy
являются допустимыми. Существующий файл также может быть каталогом. Напри-
мер, по вызову:
copy . dircontents
копируется содержимое текущего каталога, обозначенного символом ".", в обыч-
ный файл "dircontents"; информация в новом файле совпадает, вплоть до каждо-
го байта, с содержимым каталога, только этот файл обычного типа (для созда-
ния нового каталога предназначена операция mknod). Наконец, любой из файлов
может быть файлом устройства. Например, программа, вызванная следующим обра-
зом:
12
+------------------------------------------------------------+
| #include |
| char buffer[2048]; |
| int version = 1; /* будет объяснено в главе 2 */ |
| |
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| int fdold,fdnew; |
| |
| if (argc != 3) |
| { |
| printf("need 2 arguments for copy program\n); |
| exit(1); |
| } |
| fdold = open(argv[1],O_RDONLY); /* открыть исходный |
| файл только для |
| чтения */ |
| if (fdold == -1) |
| { |
| printf("cannot open file %s\n",argv[1]); |
| exit(1); |
| } |
| fdnew = creat(argv[2],0666); /* создать новый файл с |
| разрешением чтения и |
| записи для всех поль-|
| зователей */ |
| if (fdnew == -1) |
| { |
| printf("cannot create file %s\n",argv[2]); |
| exit(1); |
| } |
| copy(fdold,fdnew); |
| exit(0); |
| } |
| |
| copy(old,new) |
| int old,new; |
| { |
| int count; |
| |
| while ((count = read(old,buffer,sizeof(buffer))) > 0) |
| write(new,buffer,count); |
| } |
+------------------------------------------------------------+
Рисунок 1.3. Программа копирования файла
copy /dev/tty terminalread
читает символы, вводимые с терминала (файл /dev/tty соответствует терминалу
пользователя), и копирует их в файл terminalread, завершая работу только в
том случае, если пользователь нажмет
. Похожая форма запуска программы:
copy /dev/tty /dev/tty
13
вызывает чтение символов с терминала и их копирование обратно на терминал.
Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последо-
вательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В сис-
теме UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особен-
ность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом),
при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы
(такой как copy) может одновременно находиться в системе. Различные систем-
ные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процес-
сы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на нас-
тупление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной
системе, процессы выполняются независимо друг от друга.
Например, процесс, выполняющийся в программе, приведенной на Рисунке
1.4, запускает операцию fork, чтобы породить новый процесс. Новый процесс,
именуемый порожденным процессом, получает значение кода завершения операции
fork, равное 0, и активизирует операцию execl, которая выполняет программу
copy (Рисунок 1.3). Операция execl загружает файл "copy", который предполо-
жительно находится в текущем каталоге, в адресное пространство порожденного
процесса и запускает программу с параметрами, полученными от пользователя. В
случае успешного выполнения операции execl управление в вызвавший ее процесс
не возвращается, поскольку процесс выполняется в новом адресном пространстве
(подробнее об этом в главе 7). Тем временем, процесс, запустивший операцию
fork (родительский процесс), получает ненулевое значение кода завершения
операции, вызывает операцию wait, которая приостанавливает его выполнение до
тех пор, пока не закончится выполнение программы copy, и завершается (каждая
программа имеет выход в конце главной процедуры, после которой располагаются
программы стандартных библиотек Си, подключаемые в процессе компиляции).
Например, если исполняемая программа называется run, пользователь запускает
ее следующим образом:
+------------------------------------------------------------+
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| /* предусмотрено 2 аргумента: исходный файл и новый файл */|
| if (fork() == 0) |
| execl("copy","copy",argv[1],argv[2],0); |
| wait((int *)0) |
| printf("copy done\n"); |
| } |
+------------------------------------------------------------+
Рисунок 1.4. Программа порождения нового процесса, выполняющего копиро-
вание файлов
run oldfile newfile
Процесс выполняет копирование файла с именем "oldfile" в файл с именем
"newfile" и выводит сообщение. Хотя данная программа мало что добавила к
программе "copy", в ней появились четыре основных обращения к операционной
системе, управляющие выполнением процессов: fork, exec, wait и exit.
Вообще использование обращений к операционной системе дает возможность
пользователю создавать программы, выполняющие сложные действия, и как следс-
твие, ядро операционной системы UNIX не включает в себя многие функции, яв-
14
ляющиеся частью "ядра" в других системах. Такие функции, и среди них компи-
ляторы и редакторы, в системе UNIX являются программами пользовательского
уровня. Наиболее характерным примером подобной программы может служить ко-
мандный процессор shell, с которым обычно взаимодействуют пользователи после
входа в систему. Shell интерпретирует первое слово командной строки как имя
команды: во многих командах, в том числе и в командах fork (породить новый
процесс) и exec (выполнить порожденный процесс), сама команда ассоциируется
с ее именем, все остальные слова в командной строке трактуются как параметры
команды.
Shell обрабатывает команды трех типов. Во-первых, в качестве имени ко-
манды может быть указано имя исполняемого файла в объектном коде, полученно-
го в результате компиляции исходного текста программы (например, программы
на языке Си). Во-вторых, именем команды может быть имя командного файла, со-
держащего набор командных строк, обрабатываемых shell'ом. Наконец, команда
может быть внутренней командой языка shell (в отличие от исполняемого фай-
ла). Наличие внутренних команд делает shell языком программирования в допол-
нение к функциям командного процессора; командный язык shell включает коман-
ды организации циклов (for-in-do-done и while-do-done), команды выполнения
по условиям (if-then-else-fi), оператор выбора, команду изменения текущего
для процесса каталога (cd) и некоторые другие. Синтаксис shell'а допускает
сравнение с образцом и обработку параметров. Пользователям, запускающим ко-
манды, нет необходимости знать, какого типа эти команды.
Командный процессор shell ищет имена команд в указанном наборе катало-
гов, который можно изменить по желанию пользователя, вызвав shell. Shell
обычно исполняет команду синхронно, с ожиданием завершения выполнения коман-
ды прежде, чем считать следующую командную строку. Тем не менее, допускается
и асинхронное исполнение, когда очередная командная строка считывается и ис-
полняется, не дожидаясь завершения выполнения предыдущей команды. О коман-
дах, выполняемых асинхронно, говорят, что они выполняются на фоне других ко-
манд. Например, ввод команды
who
вызывает выполнение системой программы, хранящейся в файле
/bin/who (****) и осуществляющей вывод списка пользователей, ко-
торые в настоящий момент работают с системой. Пока команда who выполняется,
командный процессор shell ожидает завершения ее выполнения и только затем
запрашивает у пользователя следующую команду. Если же ввести команду
who &
система выполнит программу who на фоне и shell готов немедленно принять сле-
дующую команду.
В среду выполнения каждого процесса в системе UNIX включается текущий
каталог. Текущий для процесса каталог является начальным каталогом, имя ко-
торого присоединяется ко всем именам путей поиска, которые не начинаются с
наклонной черты. Пользователь может запустить внутреннюю команду shell'а cd
(изменить каталог) для перемещения по дереву файловой системы и для смены
текущего каталога. Командная строка
cd /usr/src/uts
делает текущим каталог "/usr/src/uts". Командная строка
cd ../..
---------------------------
(****) Каталог "/bin" содержит большинство необходимых команд и обычно вхо-
дит в число каталогов, в которых ведет поиск командный процессор
shell.
15
делает текущим каталог, который на две вершины "ближе" к корню (корневому
каталогу): параметр ".." относится к каталогу, являющемуся родительским для
текущего.
Поскольку shell является пользовательской программой и не входит в сос-
тав ядра операционной системы, его легко модифицировать и помещать в конк-
ретные условия эксплуатации. Например, вместо командного процессора Баурна
(называемого так по имени его создателя, Стива Баурна), являющегося частью
версии V стандартной системы, можно использовать процессор команд Си, обес-
печивающий работу механизма ведения истории изменений и позволяющий избегать
повторного ввода только что использованных команд. В некоторых случаях при
желании можно воспользоваться командным процессором shell с ограниченными
возможностями, являющимся предыдущей версией обычного shell'а. Система может
работать с несколькими командными процессорами одновременно. Пользователи
имеют возможность запускать одновременно множество процессов, процессы же в
свою очередь могут динамически порождать новые процессы и синхронизировать
их выполнение. Все эти возможности обеспечиваются благодаря наличию мощных
программных и аппаратных средств, составляющих среду выполнения процессов.
Хотя привлекательность shell'а в наибольшей степени определяется его возмож-
ностями как языка программирования и его возможностями в обработке аргумен-
тов, в данном разделе основное внимание концентрируется на среде выполнения
процессов, управление которой в системе возложено на командный процессор
shell. Другие важные особенности shell'а выходят за рамки настоящей книги
(подробное описание shell'а см. в [Bourne 78]).
Как уже говорилось ранее, концепция разработки системы UNIX заключалась
в построении операционной системы из элементов, которые позволили бы пользо-
вателю создавать небольшие программные модули, выступающие в качестве конст-
рукционных блоков при создании более сложных программ. Одним из таких эле-
ментов, с которым часто сталкиваются пользователи при работе с командным
процессором shell, является возможность переназначения ввода-вывода. Говоря
условно, процессы имеют доступ к трем файлам: они читают из файла стандарт-
ного ввода, записывают в файл стандартного вывода и выводят сообщения об
ошибках в стандартный файл ошибок. Процессы, запускаемые с терминала, обычно
используют терминал вместо всех этих трех файлов, однако каждый файл незави-
симо от других может быть "переназначен". Например, команда
ls
выводит список всех файлов текущего каталога на устройство (в файл) стандар-
тного вывода, а команда
ls > output
переназначает выводной поток со стандартного вывода в файл "output" в теку-
щем каталоге, используя вышеупомянутый системный вызов creat. Подобным же
образом, команда
mail mjb < letter
открывает (с помощью системного вызова open) файл "letter" в качестве файла
стандартного ввода и пересылает его содержимое пользователю с именем "mjb".
Процессы могут переназначать одновременно и ввод, и вывод, как, например, в
командной строке:
16
nroff -mm < doc1 > doc1.out 2> errors
где программа форматирования nroff читает вводной файл doc1, в качестве фай-
ла стандартного вывода задает файл doc1.out и выводит сообщения об ошибках в
файл errors ("2>" означает переназначение вывода, предназначавшегося для
файла с дескриптором 2, который соответствует стандартному файлу ошибок).
Программы ls, mail и nroff не знают, какие файлы выбраны в качестве файлов
стандартного ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках; ко-
мандный процессор shell сам распознает символы "<", ">" и "2>" и назначает в
соответствии с их указанием файлы для стандартного ввода, стандартного выво-
да и записи сообщений об ошибках непосредственно перед запуском процессов.
Вторым конструкционным элементом является канал, механизм, обеспечиваю-
щий информационный обмен между процессами, выполнение которых связано с опе-
рациями чтения и записи. Процессы могут переназначать выводной поток со
стандартного вывода на канал для чтения с него другими процессами, переназ-
| | as | | | +----+ |
| | | +--------------+ | | |
| +----+ | | |
| | +-------+--------+-------+ wc | |
| | ld | vi | ed | grep | | |
| +----+-------+--------+-------+----+ |
| | Другие прикладные программы |
+---------+----------------------------------+
Рисунок 1.1. Архитектура системы UNIX
программ. Поскольку программы не зависят от аппаратуры, их легко переносить
из одной системы UNIX в другую, функционирующую на другом комплексе техни-
ческих средств, если только в этих программах не подразумевается работа с
конкретным оборудованием. Например, программы, расчитанные на определенный
размер машинного слова, гораздо труднее переводить на другие машины по срав-
нению с программами, не требующими подобных установлений.
Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi) и
показанные на внешнем по отношению к ядру слое, взаимодействуют с ядром при
помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обраще-
ния к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций,
которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между яд-
ром и программой. Некоторые из программ, приведенных на рисунке, в стандарт-
ных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ни-
ми могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как прог-
рамма a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором
с языка Си. Другие прикладные программы располагаются выше указанных прог-
рамм, на верхнем уровне, как это показано на рисунке. Например, стандартный
компилятор с языка Си, cc, располагается на самом внешнем слое: он вызывает
препроцессор для Си, ассемблер и загрузчик (компоновщик), т.е. отдельные
программы предыдущего уровня. Хотя на рисунке приведена двухуровневая иерар-
хия прикладных программ, пользователь может расширить иерархическую структу-
ру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программиро-
---------------------------
(***) В некоторых реализациях системы UNIX операционная система взаимодейст-
вует с собственной операционной системой, которая, в свою очередь,
взаимодействует с аппаратурой и выполняет необходимые функции по обс-
луживанию системы. В таких реализациях допускается инсталляция других
операционных систем с загрузкой под их управлением прикладных программ
параллельно с системой UNIX. Классическим примером подобной реализации
явилась система MERT [Lycklama 78a]. Более новым примером могут слу-
жить реализации для компьютеров серии IBM 370 [Felton 84] и UNIVAC
1100 [Bodenstab 84].
9
вания, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ,
выполняющих одну и ту же, общую задачу.
Многие прикладные подсистемы и программы, составляющие верхний уровень
системы, такие как командный процессор shell, редакторы, SCCS (система обра-
ботки исходных текстов программ) и пакеты программ подготовки документации,
постепенно становятся синонимом понятия "система UNIX". Однако все они поль-
зуются услугами программ нижних уровней и в конечном счете ядра с помощью
набора обращений к операционной системе. В версии V принято 64 типа обраще-
ний к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются
часто. Они имеют несложные параметры, что облегчает их использование, пре-
доставляя при этом большие возможности пользователю. Набор обращений к опе-
рационной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составля-
ют "тело" ядра, в связи с чем рассмотрение операционной системы UNIX в этой
книге сводится к подробному изучению и анализу обращений к системе и их вза-
имодействия между собой. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых
основывается выполнение всех прикладных программ в системе UNIX, и им же оп-
ределяются эти функции. В книге часто употребляются термины "система UNIX",
"ядро" или "система", однако при этом имеется ввиду ядро операционной систе-
мы UNIX, что и должно вытекать из контекста.
В этом разделе кратко рассматриваются главные детали системы UNIX, в
частности файловая система, среда выполнения процессов и элементы структур-
ных блоков (например, каналы). Подробное исследование взаимодействия этих
деталей с ядром содержится в последующих главах.
Файловая система UNIX характеризуется:
* иерархической структурой,
* согласованной обработкой массивов данных,
* возможностью создания и удаления файлов,
* динамическим расширением файлов,
* защитой информации в файлах,
* трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные ус-
тройства) как файлов.
Файловая система организована в виде дерева с одной исходной вершиной,
которая называется корнем (записывается: "/"); каждая вершина в древовидной
структуре файловой системы, кроме листьев, является каталогом файлов, а фай-
/
+-------------+------------+---------+---------+---------+
| | | | | |
fsl bin etc usr unix dev
+-+-+ +---+---+ | +-+-+ +-+-+
| | | | | | | | | |
mjb maury sh date who passwd src bin tty00 tty01
|
|
cmd
+---+---+
| |
date.c who.c
Рисунок 1.2. Пример древовидной структуры файловой системы
10
лы, соответствующие дочерним вершинам, являются либо каталогами, либо обыч-
ными файлами, либо файлами устройств. Имени файла предшествует указание пути
поиска, который описывает место расположения файла в иерархической структуре
файловой системы. Имя пути поиска состоит из компонент, разделенных между
собой наклонной чертой (/); каждая компонента
представляет собой набор символов, составляющих имя вершины (файла), которое
является уникальным для каталога (предыдущей компоненты), в котором оно со-
держится. Полное имя пути поиска начинается с указания наклонной черты и
идентифицирует файл (вершину), поиск которого ведется от корневой вершины
дерева файловой системы с обходом тех ветвей дерева файлов, которые соответ-
ствуют именам отдельных компонент. Так, пути "/etc/passwd", "/bin/who" и
"/usr/src/cmd/who.c" указывают на файлы, являющиеся вершинами дерева, изоб-
раженного на Рисунке 1.2, а пути "/bin/passwd" и "/usr/ src/date.c" содержат
неверный маршрут. Имя пути поиска необязательно должно начинаться с корня, в
нем следует указывать маршрут относительно текущего для выполняемого процес-
са каталога, при этом предыдущие символы "наклонная черта" в имени пути
опускаются. Так, например, если мы находимся в каталоге "/dev", то путь
"tty01" указывает файл, полное имя пути поиска для которого "/dev
/tty01".
Программы, выполняемые под управлением системы UNIX, не содержат никакой
информации относительно внутреннего формата, в котором ядро хранит файлы
данных, данные в программах представляются как бесформатный поток байтов.
Программы могут интерпретировать поток байтов по своему желанию, при этом
любая интерпретация никак не будет связана с фактическим способом хранения
данных в операционной системе. Так, синтаксические правила, определяющие за-
дание метода доступа к данным в файле, устанавливаются системой и являются
едиными для всех программ, однако семантика данных определяется конкретной
программой. Например, программа форматирования текста troff ищет в конце
каждой строки текста символы перехода на новую строку, а программа учета
системных ресурсов acctcom работает с записями фиксированной длины. Обе
программы пользуются одними и теми же системными средствами для осуществле-
ния доступа к данным в файле как к потоку байтов, и внутри себя преобразуют
этот поток по соответствующему формату. Если любая из программ обнаружит,
что формат данных неверен, она принимает соответствующие меры.
Каталоги похожи на обычные файлы в одном отношении; система представляет
информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя име-
на файлов в каталоге в объявленном формате для того, чтобы операционная сис-
тема и программы, такие как ls (выводит список имен и атрибутов файлов),
могли их обнаружить.
Права доступа к файлу регулируются установкой специальных битов разреше-
ния доступа, связанных с файлом. Устанавливая биты разрешения доступа, можно
независимо управлять выдачей разрешений на чтение, запись и выполнение для
трех категорий пользователей: владельца файла, группового пользователя и
прочих. Пользователи могут создавать файлы, если разрешен доступ к каталогу.
Вновь созданные файлы становятся листьями в древовидной структуре файловой
системы.
Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они
были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств,
становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к уст-
ройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; се-
мантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степе-
ни совпадает с семантикой операций чтения и записи обычных файлов. Способ
защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов: путем соответ-
ствующей установки битов разрешения доступа к ним (файлам). Поскольку имена
устройств выглядят так же, как и имена обычных файлов, и поскольку над уст-
ройствами и над обычными файлами выполняются одни и те же операции, большин-
ству программ нет необходимости различать внутри себя типы обрабатываемых
файлов.
11
Например, рассмотрим программу на языке Си (Рисунок 1.3), в которой соз-
дается новая копия существующего файла. Предположим, что исполняемая версия
программы имеет наименование copy. Для запуска программы пользователь вводит
с терминала:
copy oldfile newfile
где oldfile - имя существующего файла, а newfile - имя создаваемого файла.
Система выполняет процедуру main, присваивая аргументу argc значение коли-
чества параметров в списке argv, а каждому элементу массива argv значение
параметра, сообщенного пользователем. В приведенном примере argc имеет зна-
чение 3, элемент argv[0] содержит строку символов "copy" (имя программы ус-
ловно является нулевым параметром), argv[1] - строку символов "oldfile", а
argv[2] - строку символов "newfile". Затем программа проверяет, правильное
ли количество параметров было указано при ее запуске. Если это так, запуска-
ется операция open (открыть) для файла oldfile с параметром "read-only"
(только для чтения), в случае успешного выполнения которой запускается опе-
рация creat (открыть) для файла newfile. Режим доступа к вновь созданному
файлу описывается числом 0666 (в восьмиричном коде), что означает разрешение
доступа к файлу для чтения и записи для всех пользователей. Все обращения к
операционной системе в случае неудачи возвращают код -1; если же неудачно
завершаются операции open и creat, программа выдает сообщение и запускает
операцию exit (выйти) с возвращением кода состояния, равного 1, завершая
свою работу и указывая на возникновение ошибки.
Операции open и creat возвращают целое значение, являющееся дескриптором
файла и используемое программой в последующих ссылках на файлы. После этого
программа вызывает подпрограмму copy, выполняющую в цикле операцию read (чи-
тать), по которой производится чтение в буфер порции символов из существую-
щего файла, и операцию write (писать) для записи информации в новый файл.
Операция read каждый раз возвращает количество прочитанных байтов (0 - если
достигнут конец файла). Цикл завершается, если достигнут конец файла или ес-
ли произошла ошибка при выполнении операции read (отсутствует контроль воз-
никновения ошибок при выполнении операции write). Затем управление из подп-
рограммы copy возвращается в основную программу и запускается операция exit
с кодом состояния 0 в качестве параметра, что указывает на успешное заверше-
ние выполнения программы.
Программа копирует любые файлы, указанные при ее вызове в качестве аргу-
ментов, при условии, что разрешено открытие существующего файла и создание
нового файла. Файл может включать в себя как текст, который может быть выве-
ден на печатающее устройство, например, исходный текст программы, так и сим-
волы, не выводимые на печать, даже саму программу. Таким образом, оба вызо-
ва:
copy copy.c newcopy.c
copy copy newcopy
являются допустимыми. Существующий файл также может быть каталогом. Напри-
мер, по вызову:
copy . dircontents
копируется содержимое текущего каталога, обозначенного символом ".", в обыч-
ный файл "dircontents"; информация в новом файле совпадает, вплоть до каждо-
го байта, с содержимым каталога, только этот файл обычного типа (для созда-
ния нового каталога предназначена операция mknod). Наконец, любой из файлов
может быть файлом устройства. Например, программа, вызванная следующим обра-
зом:
12
+------------------------------------------------------------+
| #include
| char buffer[2048]; |
| int version = 1; /* будет объяснено в главе 2 */ |
| |
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| int fdold,fdnew; |
| |
| if (argc != 3) |
| { |
| printf("need 2 arguments for copy program\n); |
| exit(1); |
| } |
| fdold = open(argv[1],O_RDONLY); /* открыть исходный |
| файл только для |
| чтения */ |
| if (fdold == -1) |
| { |
| printf("cannot open file %s\n",argv[1]); |
| exit(1); |
| } |
| fdnew = creat(argv[2],0666); /* создать новый файл с |
| разрешением чтения и |
| записи для всех поль-|
| зователей */ |
| if (fdnew == -1) |
| { |
| printf("cannot create file %s\n",argv[2]); |
| exit(1); |
| } |
| copy(fdold,fdnew); |
| exit(0); |
| } |
| |
| copy(old,new) |
| int old,new; |
| { |
| int count; |
| |
| while ((count = read(old,buffer,sizeof(buffer))) > 0) |
| write(new,buffer,count); |
| } |
+------------------------------------------------------------+
Рисунок 1.3. Программа копирования файла
copy /dev/tty terminalread
читает символы, вводимые с терминала (файл /dev/tty соответствует терминалу
пользователя), и копирует их в файл terminalread, завершая работу только в
том случае, если пользователь нажмет
copy /dev/tty /dev/tty
13
вызывает чтение символов с терминала и их копирование обратно на терминал.
Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последо-
вательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В сис-
теме UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особен-
ность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом),
при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы
(такой как copy) может одновременно находиться в системе. Различные систем-
ные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процес-
сы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на нас-
тупление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной
системе, процессы выполняются независимо друг от друга.
Например, процесс, выполняющийся в программе, приведенной на Рисунке
1.4, запускает операцию fork, чтобы породить новый процесс. Новый процесс,
именуемый порожденным процессом, получает значение кода завершения операции
fork, равное 0, и активизирует операцию execl, которая выполняет программу
copy (Рисунок 1.3). Операция execl загружает файл "copy", который предполо-
жительно находится в текущем каталоге, в адресное пространство порожденного
процесса и запускает программу с параметрами, полученными от пользователя. В
случае успешного выполнения операции execl управление в вызвавший ее процесс
не возвращается, поскольку процесс выполняется в новом адресном пространстве
(подробнее об этом в главе 7). Тем временем, процесс, запустивший операцию
fork (родительский процесс), получает ненулевое значение кода завершения
операции, вызывает операцию wait, которая приостанавливает его выполнение до
тех пор, пока не закончится выполнение программы copy, и завершается (каждая
программа имеет выход в конце главной процедуры, после которой располагаются
программы стандартных библиотек Си, подключаемые в процессе компиляции).
Например, если исполняемая программа называется run, пользователь запускает
ее следующим образом:
+------------------------------------------------------------+
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| /* предусмотрено 2 аргумента: исходный файл и новый файл */|
| if (fork() == 0) |
| execl("copy","copy",argv[1],argv[2],0); |
| wait((int *)0) |
| printf("copy done\n"); |
| } |
+------------------------------------------------------------+
Рисунок 1.4. Программа порождения нового процесса, выполняющего копиро-
вание файлов
run oldfile newfile
Процесс выполняет копирование файла с именем "oldfile" в файл с именем
"newfile" и выводит сообщение. Хотя данная программа мало что добавила к
программе "copy", в ней появились четыре основных обращения к операционной
системе, управляющие выполнением процессов: fork, exec, wait и exit.
Вообще использование обращений к операционной системе дает возможность
пользователю создавать программы, выполняющие сложные действия, и как следс-
твие, ядро операционной системы UNIX не включает в себя многие функции, яв-
14
ляющиеся частью "ядра" в других системах. Такие функции, и среди них компи-
ляторы и редакторы, в системе UNIX являются программами пользовательского
уровня. Наиболее характерным примером подобной программы может служить ко-
мандный процессор shell, с которым обычно взаимодействуют пользователи после
входа в систему. Shell интерпретирует первое слово командной строки как имя
команды: во многих командах, в том числе и в командах fork (породить новый
процесс) и exec (выполнить порожденный процесс), сама команда ассоциируется
с ее именем, все остальные слова в командной строке трактуются как параметры
команды.
Shell обрабатывает команды трех типов. Во-первых, в качестве имени ко-
манды может быть указано имя исполняемого файла в объектном коде, полученно-
го в результате компиляции исходного текста программы (например, программы
на языке Си). Во-вторых, именем команды может быть имя командного файла, со-
держащего набор командных строк, обрабатываемых shell'ом. Наконец, команда
может быть внутренней командой языка shell (в отличие от исполняемого фай-
ла). Наличие внутренних команд делает shell языком программирования в допол-
нение к функциям командного процессора; командный язык shell включает коман-
ды организации циклов (for-in-do-done и while-do-done), команды выполнения
по условиям (if-then-else-fi), оператор выбора, команду изменения текущего
для процесса каталога (cd) и некоторые другие. Синтаксис shell'а допускает
сравнение с образцом и обработку параметров. Пользователям, запускающим ко-
манды, нет необходимости знать, какого типа эти команды.
Командный процессор shell ищет имена команд в указанном наборе катало-
гов, который можно изменить по желанию пользователя, вызвав shell. Shell
обычно исполняет команду синхронно, с ожиданием завершения выполнения коман-
ды прежде, чем считать следующую командную строку. Тем не менее, допускается
и асинхронное исполнение, когда очередная командная строка считывается и ис-
полняется, не дожидаясь завершения выполнения предыдущей команды. О коман-
дах, выполняемых асинхронно, говорят, что они выполняются на фоне других ко-
манд. Например, ввод команды
who
вызывает выполнение системой программы, хранящейся в файле
/bin/who (****) и осуществляющей вывод списка пользователей, ко-
торые в настоящий момент работают с системой. Пока команда who выполняется,
командный процессор shell ожидает завершения ее выполнения и только затем
запрашивает у пользователя следующую команду. Если же ввести команду
who &
система выполнит программу who на фоне и shell готов немедленно принять сле-
дующую команду.
В среду выполнения каждого процесса в системе UNIX включается текущий
каталог. Текущий для процесса каталог является начальным каталогом, имя ко-
торого присоединяется ко всем именам путей поиска, которые не начинаются с
наклонной черты. Пользователь может запустить внутреннюю команду shell'а cd
(изменить каталог) для перемещения по дереву файловой системы и для смены
текущего каталога. Командная строка
cd /usr/src/uts
делает текущим каталог "/usr/src/uts". Командная строка
cd ../..
---------------------------
(****) Каталог "/bin" содержит большинство необходимых команд и обычно вхо-
дит в число каталогов, в которых ведет поиск командный процессор
shell.
15
делает текущим каталог, который на две вершины "ближе" к корню (корневому
каталогу): параметр ".." относится к каталогу, являющемуся родительским для
текущего.
Поскольку shell является пользовательской программой и не входит в сос-
тав ядра операционной системы, его легко модифицировать и помещать в конк-
ретные условия эксплуатации. Например, вместо командного процессора Баурна
(называемого так по имени его создателя, Стива Баурна), являющегося частью
версии V стандартной системы, можно использовать процессор команд Си, обес-
печивающий работу механизма ведения истории изменений и позволяющий избегать
повторного ввода только что использованных команд. В некоторых случаях при
желании можно воспользоваться командным процессором shell с ограниченными
возможностями, являющимся предыдущей версией обычного shell'а. Система может
работать с несколькими командными процессорами одновременно. Пользователи
имеют возможность запускать одновременно множество процессов, процессы же в
свою очередь могут динамически порождать новые процессы и синхронизировать
их выполнение. Все эти возможности обеспечиваются благодаря наличию мощных
программных и аппаратных средств, составляющих среду выполнения процессов.
Хотя привлекательность shell'а в наибольшей степени определяется его возмож-
ностями как языка программирования и его возможностями в обработке аргумен-
тов, в данном разделе основное внимание концентрируется на среде выполнения
процессов, управление которой в системе возложено на командный процессор
shell. Другие важные особенности shell'а выходят за рамки настоящей книги
(подробное описание shell'а см. в [Bourne 78]).
Как уже говорилось ранее, концепция разработки системы UNIX заключалась
в построении операционной системы из элементов, которые позволили бы пользо-
вателю создавать небольшие программные модули, выступающие в качестве конст-
рукционных блоков при создании более сложных программ. Одним из таких эле-
ментов, с которым часто сталкиваются пользователи при работе с командным
процессором shell, является возможность переназначения ввода-вывода. Говоря
условно, процессы имеют доступ к трем файлам: они читают из файла стандарт-
ного ввода, записывают в файл стандартного вывода и выводят сообщения об
ошибках в стандартный файл ошибок. Процессы, запускаемые с терминала, обычно
используют терминал вместо всех этих трех файлов, однако каждый файл незави-
симо от других может быть "переназначен". Например, команда
ls
выводит список всех файлов текущего каталога на устройство (в файл) стандар-
тного вывода, а команда
ls > output
переназначает выводной поток со стандартного вывода в файл "output" в теку-
щем каталоге, используя вышеупомянутый системный вызов creat. Подобным же
образом, команда
mail mjb < letter
открывает (с помощью системного вызова open) файл "letter" в качестве файла
стандартного ввода и пересылает его содержимое пользователю с именем "mjb".
Процессы могут переназначать одновременно и ввод, и вывод, как, например, в
командной строке:
16
nroff -mm < doc1 > doc1.out 2> errors
где программа форматирования nroff читает вводной файл doc1, в качестве фай-
ла стандартного вывода задает файл doc1.out и выводит сообщения об ошибках в
файл errors ("2>" означает переназначение вывода, предназначавшегося для
файла с дескриптором 2, который соответствует стандартному файлу ошибок).
Программы ls, mail и nroff не знают, какие файлы выбраны в качестве файлов
стандартного ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках; ко-
мандный процессор shell сам распознает символы "<", ">" и "2>" и назначает в
соответствии с их указанием файлы для стандартного ввода, стандартного выво-
да и записи сообщений об ошибках непосредственно перед запуском процессов.
Вторым конструкционным элементом является канал, механизм, обеспечиваю-
щий информационный обмен между процессами, выполнение которых связано с опе-
рациями чтения и записи. Процессы могут переназначать выводной поток со
стандартного вывода на канал для чтения с него другими процессами, переназ-