Страница:
Дисковый блок может принадлежать более чем одному индексу или списку свободных блоков. Когда файловая система открывается в первый раз, все дисковые блоки находятся в списке свободных блоков. Когда дисковый блок выбирается для использования, ядро удаляет его номер из списка свободных блоков и назначает блок индексу. Ядро не может переназначить дисковый блок другому индексу до тех пор, пока блок не будет возвращен в список свободных блоков. Таким образом, дисковый блок может либо находиться в списке свободных блоков, либо быть назначенным одному из индексов. Рассмотрим различные ситуации, могущие иметь место при освобождении ядром дискового блока, принадлежавшего файлу, с возвращением номера блока в суперблок, находящийся в памяти, и при выделении дискового блока новому файлу. Если ядро записывало на диск индекс и блоки нового файла, но перед внесением изменений в индекс прежнего файла на диске произошел сбой, оба индекса будут адресовать к одному и тому же номеру дискового блока. Подобным же образом, если ядро переписывало на диск суперблок и его списки свободных ресурсов и перед переписью старого индекса случился сбой, дисковый блок появится одновременно и в списке свободных блоков, и в старом индексе.
Если блок отсутствует как в списке свободных блоков, так и в файле, файловая система является несогласованной, ибо, как уже говорилось выше, все блоки обязаны где-нибудь присутствовать. Такая ситуация могла бы произойти, если бы блок был удален из файла и помещен в список свободных блоков в суперблоке. Если производилась запись прежнего файла на диск и система дала сбой перед записью суперблока, блок будет отсутствовать во всех списках, хранящихся на диске.
Индекс может иметь счетчик связей с ненулевым значением при том, что его номер отсутствует во всех каталогах файловой системы. Все файлы, за исключением каналов (непоименованных), должны присутствовать в древовидной структуре файловой системы. Если система дала сбой после создания канала или обычного файла, но перед созданием соответствующей этому каналу или файлу точки входа в каталог, индекс будет иметь в поле счетчика связей установленное значение, пусть даже он явно не присутствует в файловой системе. Еще одна проблема может возникнуть, если с помощью функции unlink была удалена связь каталога без проверки удаления из каталога всех содержащихся в нем связей с отдельными файлами.
Если формат индекса неверен (например, если значение поля типа файла не определено), значит где-то имеется ошибка. Это может произойти, если администратор смонтировал файловую систему, которая отформатирована неправильно. Ядро обращается к тем дисковым блокам, которые, как кажется ядру, содержат индексы, но в действительности оказывается, что они содержат данные.
Если номер индекса присутствует в записи каталога, но сам индекс свободен, файловая система является несогласованной, поскольку номер индекса в записи каталога должен быть номером назначенного индекса. Это могло бы произойти, если бы ядро, создавая новый файл и записывая на диск новую точку входа в каталог, не успела бы скопировать на диск индекс файла из-за сбоя. Также это может случиться, если процесс, удаляя связь файла с каталогом, запишет освободившийся индекс на диск, но не успеет откорректировать каталог из-за сбоя. Возникновение подобных ситуаций можно предотвратить, копируя на диск результаты работы в надлежащем порядке.
Если число свободных блоков или свободных индексов, записанное в суперблоке, не совпадает с их количеством на диске, файловая система так же является несогласованной. Итоговая информация в суперблоке всегда должна соответствовать информации о текущем состоянии файловой системы.
5.19 ВЫВОДЫ
5.20 УПРАЖНЕНИЯ
ГЛАВА 6. СТРУКТУРА ПРОЦЕССОВ
6.1 СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА И ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ НИМИ
Если блок отсутствует как в списке свободных блоков, так и в файле, файловая система является несогласованной, ибо, как уже говорилось выше, все блоки обязаны где-нибудь присутствовать. Такая ситуация могла бы произойти, если бы блок был удален из файла и помещен в список свободных блоков в суперблоке. Если производилась запись прежнего файла на диск и система дала сбой перед записью суперблока, блок будет отсутствовать во всех списках, хранящихся на диске.
Индекс может иметь счетчик связей с ненулевым значением при том, что его номер отсутствует во всех каталогах файловой системы. Все файлы, за исключением каналов (непоименованных), должны присутствовать в древовидной структуре файловой системы. Если система дала сбой после создания канала или обычного файла, но перед созданием соответствующей этому каналу или файлу точки входа в каталог, индекс будет иметь в поле счетчика связей установленное значение, пусть даже он явно не присутствует в файловой системе. Еще одна проблема может возникнуть, если с помощью функции unlink была удалена связь каталога без проверки удаления из каталога всех содержащихся в нем связей с отдельными файлами.
Если формат индекса неверен (например, если значение поля типа файла не определено), значит где-то имеется ошибка. Это может произойти, если администратор смонтировал файловую систему, которая отформатирована неправильно. Ядро обращается к тем дисковым блокам, которые, как кажется ядру, содержат индексы, но в действительности оказывается, что они содержат данные.
Если номер индекса присутствует в записи каталога, но сам индекс свободен, файловая система является несогласованной, поскольку номер индекса в записи каталога должен быть номером назначенного индекса. Это могло бы произойти, если бы ядро, создавая новый файл и записывая на диск новую точку входа в каталог, не успела бы скопировать на диск индекс файла из-за сбоя. Также это может случиться, если процесс, удаляя связь файла с каталогом, запишет освободившийся индекс на диск, но не успеет откорректировать каталог из-за сбоя. Возникновение подобных ситуаций можно предотвратить, копируя на диск результаты работы в надлежащем порядке.
Если число свободных блоков или свободных индексов, записанное в суперблоке, не совпадает с их количеством на диске, файловая система так же является несогласованной. Итоговая информация в суперблоке всегда должна соответствовать информации о текущем состоянии файловой системы.
5.19 ВЫВОДЫ
Этой главой завершается первая часть книги, посвященная рассмотрению особенностей файловой системы. Глава познакомила пользователя с тремя таблицами, принадлежащими ядру: таблицей пользовательских дескрипторов файла, системной таблицей файлов и таблицей монтирования. В ней рассмотрены алгоритмы выполнения системных функций, имеющих отношение к файловой системе, и взаимодействие между этими функциями. Исследованы некоторые абстрактные свойства файловой системы, позволяющие системе UNIX поддерживать файловые системы различных типов. Наконец, описан механизм выполнения команды fsck, контролирующей целостность и согласованность данных в файловой системе.
5.20 УПРАЖНЕНИЯ
1. Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 5.35. Какое значение возвращает каждая операция read и что при этом содержится в буфере? Опишите, что происходит в ядре во время выполнения каждого вызова read.
2. Вновь вернемся к программе на Рисунке 5.35 и предположим, что оператор lseek(fd, 9000L, 0); стоит перед первым обращением к функции read. Что ищет процесс и что при этом происходит в ядре?
3. Процесс может открыть файл для работы в режиме добавления записей в конец файла, при этом имеется в виду, что каждая операция записи располагает данные по адресу смещения, указывающего текущий конец файла. Таким образом, два процесса могут открыть файл для работы в режиме добавления записей в конец файла и вводить данные, не опасаясь затереть записи друг другу. Что произойдет, если процесс откроет файл в режиме добавления в конец, а записывающую головку установит на начало файла?
4. Библиотека стандартных подпрограмм ввода-вывода повышает эффективность выполнения пользователем операций чтения и записи благодаря буферизации данных в библиотеке и сохранению большого количества модулей обращения к операционной системе, необходимых пользователю. Как бы вы реализовали библиотечные функции fread и fwrite? Что должны делать библиотечные функции fopen и fclose?
#include ‹fcntl.h›
main() {
int fd;
char buf[1024];
fd = creat("junk", 0666);
lseek(fd, 2000L, 2); /* ищется байт с номером 2000 */
write(fd, "hello", 5);
close(fd);
fd = open("junk", O_RDONLY);
read(fd, buf, 1024); /* читает нули */
read(fd, buf, 1024); /* считывает нечто, отличное от 0 */
read(fd, buf, 1024);
}
Рисунок 5.35. Считывание нулей и конца файла
5. Если процесс читает данные из файла последовательно, ядро запоминает значение блока, прочитанного с продвижением, в индексе, хранящемся в памяти. Что произойдет, если несколько процессов будут одновременно вести последовательное считывание данных из одного и того же файла?
#include ‹fcntl.h›
main() {
int fd;
char buf[256];
fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
if (read(fd, buf, 1024) ‹ 0) printf("чтение завершается неудачно\n");
}
Рисунок 5.36. Чтение большой порции данных в маленький буфер
6. Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 5.36. Что произойдет в результате выполнения программы? Обоснуйте ответ. Что произошло бы, если бы объявление массива buf было вставлено между объявлениями двух других массивов размером 1024 элемента каждый? Каким образом ядро устанавливает, что прочитанная порция данных слишком велика для буфера?
*7. В файловой системе BSD разрешается фрагментировать последний блок файла в соответствии со следующими правилами:
• Свободные фрагменты отслеживаются в структурах, подобных суперблоку;
• Ядро не поддерживает пул ранее выделенных свободных фрагментов, а разбивает на фрагменты в случае необходимости свободный блок;
• Ядро может назначать фрагменты блока только для последнего блока в файле;
• Если блок разбит на несколько фрагментов, ядро может назначить их различным файлам;
• Количество фрагментов в блоке не должно превышать величину, фиксированную для данной файловой системы;
• Ядро назначает фрагменты во время выполнения системной функции write.
Разработайте алгоритм, присоединяющий к файлу фрагменты блока. Какие изменения должны быть сделаны в индексе, чтобы позволить использование фрагментов? Какие преимущества с системной точки зрения предоставляет использование фрагментов для тех файлов, которые используют блоки косвенной адресации? Не выгоднее ли было бы назначать фрагменты во время выполнения функции close вместо того, чтобы назначать их при выполнении функции write?
*8. Вернемся к обсуждению, начатому в главе 4 и касающемуся расположения данных в индексе файла. Для того случая, когда индекс имеет размер дискового блока, разработайте алгоритм, по которому остаток данных файла переписывается в индексный блок, если помещается туда. Сравните этот метод с методом, предложенным для решения предыдущей проблемы.
*9. В версии V системы функция fcntl используется для реализации механизма захвата файла и записи и имеет следующий формат: fcntl(fd, cmd, arg); где fd — дескриптор файла, cmd — тип блокирующей операции, а в arg указываются различные параметры, такие как тип блокировки (записи или чтения) и смещения в байтах (см. приложение). К блокирующим операциям относятся
• Проверка наличия блокировок, принадлежащих другим процессам, с немедленным возвратом управления в случае обнаружения таких блокировок,
• Установка блокировки и приостанов до успешного завершения,
• Установка блокировки с немедленным возвратом управления в случае неудачи.
Ядро автоматически снимает блокировки, установленные процессом, при закрытии файла. Опишите работу алгоритма, реализующего захват файла и записи. Если блокировки являются обязательными, другим процессам следует запретить доступ к файлу. Какие изменения следует сделать в операциях чтения и записи?
*10. Если процесс приостановил свою работу в ожидании снятия с файла блокировки, возникает опасность взаимной блокировки: процесс A может заблокировать файл «one» и попытаться заблокировать файл «two», а процесс B может заблокировать файл «two» и попытаться заблокировать файл «one». Оба процесса перейдут в состояние, при котором они не смогут продолжить свою работу. Расширьте алгоритм решения предыдущей проблемы таким образом, чтобы ядро могло обнаруживать ситуации взаимной блокировки и прерывать выполнение системных функций. Следует ли поручать обнаружение взаимных блокировок ядру?
11. До существования специальной системной функции захвата файла пользователям приходилось прибегать к услугам параллельно действующих процессов для реализации механизма захвата путем вызова системных функций, выполняющих элементарные действия. Какие из системных функций, описанных в этой главе, могли бы использоваться? Какие опасности подстерегают при использовании этих методов?
12. Ричи заявлял (см. [Ritchie 81]), что захвата файла недостаточно для того, чтобы предотвратить путаницу, вызываемую такими программами, как редакторы, которые создают копию файла при редактировании и переписывают первоначальный файл по окончании работы. Объясните, что он имел в виду, и прокомментируйте.
13. Рассмотрим еще один способ блокировки файлов, предотвращающий разрушительные последствия корректировки. Предположим, что в индексе содержится новая установка прав доступа, позволяющая только одному процессу в текущий момент открывать файл для записи и нескольким процессам открывать файл для чтения. Опишите реализацию этого способа.
main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
if (argc != 2) {
printf("введите: команда имя каталога\n");
exit();
}
/* права доступа к каталогу: запись, чтение и исполнение разрешены для всех */
/* только суперпользователь может делать следующее */
if (mknod(argv[1], 040777, 0) == -1) printf("mknod завершилась неудачно\n");
}
Рисунок 5.37. Каталог, создание которого не завершено
*14. Рассмотрим программу (Рисунок 5.37), которая создает каталог с неверным форматом (в каталоге отсутствуют записи с именами "." и ".."). Попробуйте, находясь в этом каталоге, выполнить несколько команд, таких как ls - l, ls - ld, или cd. Что произойдет при этом?
15. Напишите программу, которая выводит для файлов, имена которых указаны в качестве параметров, информацию о владельце, типе файла, правах доступа и времени доступа. Если файл (параметр) является каталогом, программа должна читать записи из каталога и выводить вышеуказанную информацию для всех файлов в каталоге.
16. Предположим, что у пользователя есть разрешение на чтение из каталога, но нет разрешения на исполнение. Что произойдет, если каталог использовать в качестве параметра команды ls, заданной с опцией «-i»? Что будет, если указана опция «-l»? Поясните свои ответы. Ответьте на вопрос, сформулированный для случая, когда есть разрешение на исполнение, но нет разрешения на чтение из каталога.
17. Сравните права доступа, которые должны быть у процесса для выполнения следующих действий, и прокомментируйте:
• Для создания нового файла требуется разрешение на запись в каталог.
• Для «создания» существующего файла требуется разрешение на запись в файл.
• Для удаления связи файла с каталогом требуется разрешение на запись в каталог, а не в файл.
*18. Напишите программу, которая навещает все каталоги, начиная с текущего. Как она должна управлять циклами в иерархии каталогов?
19. Выполните программу, приведенную на Рисунке 5.38, и объясните, что при этом происходит в ядре. (Намек: выполните команду pwd, когда программа закончится).
20. Напишите программу, которая заменяет корневой каталог указанным каталогом, и исследуйте дерево каталогов, доступное для этой программы.
21. Почему процесс не может отменить предыдущий вызов функции chroot? Измените конкретную реализацию процесса таким образом, чтобы он мог менять текущее значение корня на предыдущее. Какие у этой возможности преимущества и неудобства?
22. Рассмотрим простой пример канала (Рисунок 5.19), когда процесс записывает в канал строку «hello» и затем считывает ее. Что произошло бы, если бы массив для записи данных в канал имел размер 1024 байта вместо 6 (а объем считываемых за одну операцию данных оставался равным 6)? Что произойдет, если порядок вызова функций read и write в программе изменить, поменяв функции местами?
main(argc,argv)
int argc;
char *argv[];
{
if (argc != 2) {
printf("нужен 1 аргумент — имя каталога\n");
exit();
}
if (chdir(argv[1]) == -1) printf("%s файл не является каталогом\n", argv[1]);
}
Рисунок 5.38. Пример программы с использованием функции chdir
23. Что произойдет при выполнении программы, иллюстрирующей использование поименованных каналов (Рисунок 5.19), если функция mknod обнаружит, что канал с таким именем уже существует? Как этот момент реализуется ядром? Что произошло бы, если бы вместо подразумеваемых в тексте программы одного считывающего и одного записывающего процессов связь между собой через канал попытались установить несколько считывающих и записывающих процессов? Как в этом случае гарантировалась бы связь одного считывающего процесса с одним записывающим процессом?
24. Открывая поименованный канал для чтения, процесс приостанавливается до тех пор, пока еще один процесс не откроет канал для записи. Почему? Не мог бы процесс успешно пройти функцию open, продолжить работу до того момента, когда им будет предпринята попытка чтения данных из канала, и приостановиться при выполнении функции read?
25. Как бы вы реализовали алгоритм выполнения системной функции dup2 (из версии 7), вызываемой следующим образом: dup2(oldfd, newfd); где oldfd — файловый дескриптор, который дублируется дескриптором newfd? Что произошло бы, если бы дескриптор newfd уже принадлежал открытому файлу?
*26. Какие последствия имело бы решение ядра позволить двум процессам одновременно смонтировать одну и ту же файловую систему в двух точках монтирования?
27. Предположим, что один процесс меняет свой текущий каталог на каталог «/mnt/a/b/c», после чего другой процесс в каталоге «/mnt» монтирует файловую систему. Завершится ли функция mount успешно? Что произойдет, если первый процесс выполнит команду pwd? Ядро не позволит функции mount успешно завершиться, если значение счетчика ссылок в индексе каталога «/mnt» превышает 1. Прокомментируйте этот момент.
28. При исполнении алгоритма пересечения точки монтирования по имени «..» в маршруте поиска файла ядро проверяет выполнение трех условий, связанных с точкой монтирования: что номер обнаруженного индекса совпадает с номером корневого индекса, что рабочий индекс является корнем файловой системы и что имя компоненты маршрута поиска — «..». Почему необходимо проверять выполнение всех трех условий? Докажите, что проверки любых двух условий недостаточно для того, чтобы разрешить процессу пересечь точку монтирования.
29. Если пользователь монтирует файловую систему только для чтения, ядро устанавливает соответствующий флаг в суперблоке. Как ядро может воспрепятствовать выполнению операций записи в функциях write, creat, link, unlink, chown и chmod? Какого рода информацию записывают в файловую систему все перечисленные функции?
*30. Предположим, что один процесс пытается демонтировать файловую систему, в то время как другой процесс пытается создать в файловой системе новый файл. Только одна из функций umount и creat выполнится успешно. Подробно рассмотрите возникшую конкуренцию.
*31. Когда функция umount проверяет отсутствие в файловой системе активных файлов, возникает одна проблема, связанная с тем, что корневой индекс файловой системы, назначаемый при выполнении функции mount с помощью алгоритма iget, имеет счетчик ссылок с положительным значением. Как функция umount сможет убедиться в отсутствии активных файлов и отчитаться перед корнем файловой системы? Рассмотрите два случая:
• функция umount освобождает корневой индекс по алгоритму iput перед проверкой активных индексов. (Как функции вернуть этот индекс обратно, если будут обнаружены активные файлы?)
• функция umount проверяет отсутствие активных файлов до того, как освободить корневой индекс, и разрешая корневому индексу оставаться активным. (Насколько активным может быть корневой индекс?)
32. Обратите внимание на то, что при выполнении команды ls — ld количество связей с каталогом никогда не равно 1. Почему?
33. Как работает команда mkdir (создать новый каталог)? (Наводящий вопрос: какие номера по завершении выполнения команды имеют индексы для файлов "." и ".."?)
*34. Понятие «символические связи» имеет отношение к возможности указания с помощью функции link связей между файлами, принадлежащими к различным файловым системам. С файлом символической связи ассоциирован указатель нового типа; содержимым файла является имя пути поиска того файла, с которым он связан. Опишите реализацию символических связей.
*35. Что произойдет, если процесс вызовет функцию unlink("."); Каким будет текущий каталог процесса? Предполагается, что процесс обладает правами суперпользователя.
36. Разработайте системную функцию, которая усекает существующий файл до произвольных размеров, указанных в качестве аргумента, и опишите ее работу. Реализуйте системную функцию, которая позволяла бы пользователю удалять сегмент файла, расположенный между двумя адресами, заданными в виде смещений, и сжимать файл. Напишите программу, которая не вызывала бы эти функции, но обладала бы теми же функциональными возможностями.
37. Опишите все условия, при которых счетчик ссылок в индексе может превышать значение 1.
38. Затрагивая тему абстрактных обращений к файловым системам, ответьте на вопрос: следует ли файловой системе каждого типа иметь личную операцию блокирования, вызываемую из общей программы, или же достаточно общей операции блокирования?
2. Вновь вернемся к программе на Рисунке 5.35 и предположим, что оператор lseek(fd, 9000L, 0); стоит перед первым обращением к функции read. Что ищет процесс и что при этом происходит в ядре?
3. Процесс может открыть файл для работы в режиме добавления записей в конец файла, при этом имеется в виду, что каждая операция записи располагает данные по адресу смещения, указывающего текущий конец файла. Таким образом, два процесса могут открыть файл для работы в режиме добавления записей в конец файла и вводить данные, не опасаясь затереть записи друг другу. Что произойдет, если процесс откроет файл в режиме добавления в конец, а записывающую головку установит на начало файла?
4. Библиотека стандартных подпрограмм ввода-вывода повышает эффективность выполнения пользователем операций чтения и записи благодаря буферизации данных в библиотеке и сохранению большого количества модулей обращения к операционной системе, необходимых пользователю. Как бы вы реализовали библиотечные функции fread и fwrite? Что должны делать библиотечные функции fopen и fclose?
#include ‹fcntl.h›
main() {
int fd;
char buf[1024];
fd = creat("junk", 0666);
lseek(fd, 2000L, 2); /* ищется байт с номером 2000 */
write(fd, "hello", 5);
close(fd);
fd = open("junk", O_RDONLY);
read(fd, buf, 1024); /* читает нули */
read(fd, buf, 1024); /* считывает нечто, отличное от 0 */
read(fd, buf, 1024);
}
Рисунок 5.35. Считывание нулей и конца файла
5. Если процесс читает данные из файла последовательно, ядро запоминает значение блока, прочитанного с продвижением, в индексе, хранящемся в памяти. Что произойдет, если несколько процессов будут одновременно вести последовательное считывание данных из одного и того же файла?
#include ‹fcntl.h›
main() {
int fd;
char buf[256];
fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
if (read(fd, buf, 1024) ‹ 0) printf("чтение завершается неудачно\n");
}
Рисунок 5.36. Чтение большой порции данных в маленький буфер
6. Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 5.36. Что произойдет в результате выполнения программы? Обоснуйте ответ. Что произошло бы, если бы объявление массива buf было вставлено между объявлениями двух других массивов размером 1024 элемента каждый? Каким образом ядро устанавливает, что прочитанная порция данных слишком велика для буфера?
*7. В файловой системе BSD разрешается фрагментировать последний блок файла в соответствии со следующими правилами:
• Свободные фрагменты отслеживаются в структурах, подобных суперблоку;
• Ядро не поддерживает пул ранее выделенных свободных фрагментов, а разбивает на фрагменты в случае необходимости свободный блок;
• Ядро может назначать фрагменты блока только для последнего блока в файле;
• Если блок разбит на несколько фрагментов, ядро может назначить их различным файлам;
• Количество фрагментов в блоке не должно превышать величину, фиксированную для данной файловой системы;
• Ядро назначает фрагменты во время выполнения системной функции write.
Разработайте алгоритм, присоединяющий к файлу фрагменты блока. Какие изменения должны быть сделаны в индексе, чтобы позволить использование фрагментов? Какие преимущества с системной точки зрения предоставляет использование фрагментов для тех файлов, которые используют блоки косвенной адресации? Не выгоднее ли было бы назначать фрагменты во время выполнения функции close вместо того, чтобы назначать их при выполнении функции write?
*8. Вернемся к обсуждению, начатому в главе 4 и касающемуся расположения данных в индексе файла. Для того случая, когда индекс имеет размер дискового блока, разработайте алгоритм, по которому остаток данных файла переписывается в индексный блок, если помещается туда. Сравните этот метод с методом, предложенным для решения предыдущей проблемы.
*9. В версии V системы функция fcntl используется для реализации механизма захвата файла и записи и имеет следующий формат: fcntl(fd, cmd, arg); где fd — дескриптор файла, cmd — тип блокирующей операции, а в arg указываются различные параметры, такие как тип блокировки (записи или чтения) и смещения в байтах (см. приложение). К блокирующим операциям относятся
• Проверка наличия блокировок, принадлежащих другим процессам, с немедленным возвратом управления в случае обнаружения таких блокировок,
• Установка блокировки и приостанов до успешного завершения,
• Установка блокировки с немедленным возвратом управления в случае неудачи.
Ядро автоматически снимает блокировки, установленные процессом, при закрытии файла. Опишите работу алгоритма, реализующего захват файла и записи. Если блокировки являются обязательными, другим процессам следует запретить доступ к файлу. Какие изменения следует сделать в операциях чтения и записи?
*10. Если процесс приостановил свою работу в ожидании снятия с файла блокировки, возникает опасность взаимной блокировки: процесс A может заблокировать файл «one» и попытаться заблокировать файл «two», а процесс B может заблокировать файл «two» и попытаться заблокировать файл «one». Оба процесса перейдут в состояние, при котором они не смогут продолжить свою работу. Расширьте алгоритм решения предыдущей проблемы таким образом, чтобы ядро могло обнаруживать ситуации взаимной блокировки и прерывать выполнение системных функций. Следует ли поручать обнаружение взаимных блокировок ядру?
11. До существования специальной системной функции захвата файла пользователям приходилось прибегать к услугам параллельно действующих процессов для реализации механизма захвата путем вызова системных функций, выполняющих элементарные действия. Какие из системных функций, описанных в этой главе, могли бы использоваться? Какие опасности подстерегают при использовании этих методов?
12. Ричи заявлял (см. [Ritchie 81]), что захвата файла недостаточно для того, чтобы предотвратить путаницу, вызываемую такими программами, как редакторы, которые создают копию файла при редактировании и переписывают первоначальный файл по окончании работы. Объясните, что он имел в виду, и прокомментируйте.
13. Рассмотрим еще один способ блокировки файлов, предотвращающий разрушительные последствия корректировки. Предположим, что в индексе содержится новая установка прав доступа, позволяющая только одному процессу в текущий момент открывать файл для записи и нескольким процессам открывать файл для чтения. Опишите реализацию этого способа.
main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
if (argc != 2) {
printf("введите: команда имя каталога\n");
exit();
}
/* права доступа к каталогу: запись, чтение и исполнение разрешены для всех */
/* только суперпользователь может делать следующее */
if (mknod(argv[1], 040777, 0) == -1) printf("mknod завершилась неудачно\n");
}
Рисунок 5.37. Каталог, создание которого не завершено
*14. Рассмотрим программу (Рисунок 5.37), которая создает каталог с неверным форматом (в каталоге отсутствуют записи с именами "." и ".."). Попробуйте, находясь в этом каталоге, выполнить несколько команд, таких как ls - l, ls - ld, или cd. Что произойдет при этом?
15. Напишите программу, которая выводит для файлов, имена которых указаны в качестве параметров, информацию о владельце, типе файла, правах доступа и времени доступа. Если файл (параметр) является каталогом, программа должна читать записи из каталога и выводить вышеуказанную информацию для всех файлов в каталоге.
16. Предположим, что у пользователя есть разрешение на чтение из каталога, но нет разрешения на исполнение. Что произойдет, если каталог использовать в качестве параметра команды ls, заданной с опцией «-i»? Что будет, если указана опция «-l»? Поясните свои ответы. Ответьте на вопрос, сформулированный для случая, когда есть разрешение на исполнение, но нет разрешения на чтение из каталога.
17. Сравните права доступа, которые должны быть у процесса для выполнения следующих действий, и прокомментируйте:
• Для создания нового файла требуется разрешение на запись в каталог.
• Для «создания» существующего файла требуется разрешение на запись в файл.
• Для удаления связи файла с каталогом требуется разрешение на запись в каталог, а не в файл.
*18. Напишите программу, которая навещает все каталоги, начиная с текущего. Как она должна управлять циклами в иерархии каталогов?
19. Выполните программу, приведенную на Рисунке 5.38, и объясните, что при этом происходит в ядре. (Намек: выполните команду pwd, когда программа закончится).
20. Напишите программу, которая заменяет корневой каталог указанным каталогом, и исследуйте дерево каталогов, доступное для этой программы.
21. Почему процесс не может отменить предыдущий вызов функции chroot? Измените конкретную реализацию процесса таким образом, чтобы он мог менять текущее значение корня на предыдущее. Какие у этой возможности преимущества и неудобства?
22. Рассмотрим простой пример канала (Рисунок 5.19), когда процесс записывает в канал строку «hello» и затем считывает ее. Что произошло бы, если бы массив для записи данных в канал имел размер 1024 байта вместо 6 (а объем считываемых за одну операцию данных оставался равным 6)? Что произойдет, если порядок вызова функций read и write в программе изменить, поменяв функции местами?
main(argc,argv)
int argc;
char *argv[];
{
if (argc != 2) {
printf("нужен 1 аргумент — имя каталога\n");
exit();
}
if (chdir(argv[1]) == -1) printf("%s файл не является каталогом\n", argv[1]);
}
Рисунок 5.38. Пример программы с использованием функции chdir
23. Что произойдет при выполнении программы, иллюстрирующей использование поименованных каналов (Рисунок 5.19), если функция mknod обнаружит, что канал с таким именем уже существует? Как этот момент реализуется ядром? Что произошло бы, если бы вместо подразумеваемых в тексте программы одного считывающего и одного записывающего процессов связь между собой через канал попытались установить несколько считывающих и записывающих процессов? Как в этом случае гарантировалась бы связь одного считывающего процесса с одним записывающим процессом?
24. Открывая поименованный канал для чтения, процесс приостанавливается до тех пор, пока еще один процесс не откроет канал для записи. Почему? Не мог бы процесс успешно пройти функцию open, продолжить работу до того момента, когда им будет предпринята попытка чтения данных из канала, и приостановиться при выполнении функции read?
25. Как бы вы реализовали алгоритм выполнения системной функции dup2 (из версии 7), вызываемой следующим образом: dup2(oldfd, newfd); где oldfd — файловый дескриптор, который дублируется дескриптором newfd? Что произошло бы, если бы дескриптор newfd уже принадлежал открытому файлу?
*26. Какие последствия имело бы решение ядра позволить двум процессам одновременно смонтировать одну и ту же файловую систему в двух точках монтирования?
27. Предположим, что один процесс меняет свой текущий каталог на каталог «/mnt/a/b/c», после чего другой процесс в каталоге «/mnt» монтирует файловую систему. Завершится ли функция mount успешно? Что произойдет, если первый процесс выполнит команду pwd? Ядро не позволит функции mount успешно завершиться, если значение счетчика ссылок в индексе каталога «/mnt» превышает 1. Прокомментируйте этот момент.
28. При исполнении алгоритма пересечения точки монтирования по имени «..» в маршруте поиска файла ядро проверяет выполнение трех условий, связанных с точкой монтирования: что номер обнаруженного индекса совпадает с номером корневого индекса, что рабочий индекс является корнем файловой системы и что имя компоненты маршрута поиска — «..». Почему необходимо проверять выполнение всех трех условий? Докажите, что проверки любых двух условий недостаточно для того, чтобы разрешить процессу пересечь точку монтирования.
29. Если пользователь монтирует файловую систему только для чтения, ядро устанавливает соответствующий флаг в суперблоке. Как ядро может воспрепятствовать выполнению операций записи в функциях write, creat, link, unlink, chown и chmod? Какого рода информацию записывают в файловую систему все перечисленные функции?
*30. Предположим, что один процесс пытается демонтировать файловую систему, в то время как другой процесс пытается создать в файловой системе новый файл. Только одна из функций umount и creat выполнится успешно. Подробно рассмотрите возникшую конкуренцию.
*31. Когда функция umount проверяет отсутствие в файловой системе активных файлов, возникает одна проблема, связанная с тем, что корневой индекс файловой системы, назначаемый при выполнении функции mount с помощью алгоритма iget, имеет счетчик ссылок с положительным значением. Как функция umount сможет убедиться в отсутствии активных файлов и отчитаться перед корнем файловой системы? Рассмотрите два случая:
• функция umount освобождает корневой индекс по алгоритму iput перед проверкой активных индексов. (Как функции вернуть этот индекс обратно, если будут обнаружены активные файлы?)
• функция umount проверяет отсутствие активных файлов до того, как освободить корневой индекс, и разрешая корневому индексу оставаться активным. (Насколько активным может быть корневой индекс?)
32. Обратите внимание на то, что при выполнении команды ls — ld количество связей с каталогом никогда не равно 1. Почему?
33. Как работает команда mkdir (создать новый каталог)? (Наводящий вопрос: какие номера по завершении выполнения команды имеют индексы для файлов "." и ".."?)
*34. Понятие «символические связи» имеет отношение к возможности указания с помощью функции link связей между файлами, принадлежащими к различным файловым системам. С файлом символической связи ассоциирован указатель нового типа; содержимым файла является имя пути поиска того файла, с которым он связан. Опишите реализацию символических связей.
*35. Что произойдет, если процесс вызовет функцию unlink("."); Каким будет текущий каталог процесса? Предполагается, что процесс обладает правами суперпользователя.
36. Разработайте системную функцию, которая усекает существующий файл до произвольных размеров, указанных в качестве аргумента, и опишите ее работу. Реализуйте системную функцию, которая позволяла бы пользователю удалять сегмент файла, расположенный между двумя адресами, заданными в виде смещений, и сжимать файл. Напишите программу, которая не вызывала бы эти функции, но обладала бы теми же функциональными возможностями.
37. Опишите все условия, при которых счетчик ссылок в индексе может превышать значение 1.
38. Затрагивая тему абстрактных обращений к файловым системам, ответьте на вопрос: следует ли файловой системе каждого типа иметь личную операцию блокирования, вызываемую из общей программы, или же достаточно общей операции блокирования?
ГЛАВА 6. СТРУКТУРА ПРОЦЕССОВ
В главе 2 были сформулированы характеристики процессов. В настоящей главе на более формальном уровне определяется понятие «контекст процесса» и показывается, каким образом ядро идентифицирует процесс и определяет его местонахождение. В разделе 6.1 описаны модель состояний процессов для системы UNIX и последовательность возможных переходов из состояния в состояние. В ядре находится таблица процессов, каждая запись которой описывает состояние одного из активных процессов в системе. В пространстве процесса хранится дополнительная информация, используемая в управлении протеканием процесса. Запись в таблице процессов и пространство процесса составляют в совокупности контекст процесса. Аспектом контекста процесса, наиболее явно отличающим данный контекст от контекста другого процесса, без сомнения является содержимое адресного пространства процесса. В разделе 6.2 описываются принципы управления распределением памяти для процессов и ядра, а также взаимодействие операционной системы с аппаратными средствами при трансляции виртуальных адресов в физические. Раздел 6.3 посвящен рассмотрению составных элементов контекста процесса, а также описанию алгоритмов управления контекстом процесса. Раздел 6.4 демонстрирует, каким образом осуществляется сохранение контекста процесса ядром в случае прерывания, вызова системной функции или переключения контекста, а также каким образом возобновляется выполнение приостановленного процесса. В разделе 6.5 приводятся различные алгоритмы, используемые в тех системных функциях, которые работают с адресным пространством процесса и которые будут рассмотрены в следующей главе. И, наконец, в разделе 6.6 рассматриваются алгоритмы приостанова и возобновления выполнения процессов.
6.1 СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА И ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ НИМИ
Как уже отмечалось в главе 2, время жизни процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:
1. Процесс выполняется в режиме задачи.
2. Процесс выполняется в режиме ядра.
3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра. Это состояние будет предметом обсуждения в главе 9 при рассмотрении системы подкачки.
6. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.
8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.
Рисунок 6.1 представляет собой полную диаграмму переходов процесса из состояния в состояние. Рассмотрим с помощью модели переходов типичное поведение процесса. Ситуации, которые будут обсуждаться, несколько искусственны и процессы не всегда имеют дело с ними, но эти ситуации вполне применимы для иллюстрации различных переходов. Начальным состоянием модели является создание процесса родительским процессом с помощью системной функции fork; из этого состояния процесс неминуемо переходит в состояние готовности к запуску (3 или 5). Для простоты предположим, что процесс перешел в состояние «готовности к запуску в памяти» (3). Планировщик процессов в конечном счете выберет процесс для выполнения и процесс перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра», где доиграет до конца роль, отведенную ему функцией fork.
Рисунок 6.1. Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние
После всего этого процесс может перейти в состояние «выполнения в режиме задачи». По прохождении определенного периода времени может произойти прерывание работы процессора по таймеру и процесс снова перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра». Как только программа обработки прерывания закончит работу, ядру может понадобиться подготовить к запуску другой процесс, поэтому первый процесс перейдет в состояние «резервирования», уступив дорогу второму процессу. Состояние «резервирования» в действительности не отличается от состояния «готовности к запуску в памяти» (пунктирная линия на рисунке, соединяющая между собой оба состояния, подчеркивает их эквивалентность), но они выделяются в отдельные состояния, чтобы подчеркнуть, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, может быть зарезервирован только в том случае, если он собирается вернуться в режим задачи. Следовательно, ядро может при необходимости подкачивать процесс из состояния «резервирования». При известных условиях планировщик выберет процесс для исполнения и тот снова вернется в состояние «выполнения в режиме задачи».
Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния «выполнения в режиме задачи» переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние «приостанова в памяти», в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод-вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние «готовности к запуску в памяти».
1. Процесс выполняется в режиме задачи.
2. Процесс выполняется в режиме ядра.
3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра. Это состояние будет предметом обсуждения в главе 9 при рассмотрении системы подкачки.
6. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.
8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.
Рисунок 6.1 представляет собой полную диаграмму переходов процесса из состояния в состояние. Рассмотрим с помощью модели переходов типичное поведение процесса. Ситуации, которые будут обсуждаться, несколько искусственны и процессы не всегда имеют дело с ними, но эти ситуации вполне применимы для иллюстрации различных переходов. Начальным состоянием модели является создание процесса родительским процессом с помощью системной функции fork; из этого состояния процесс неминуемо переходит в состояние готовности к запуску (3 или 5). Для простоты предположим, что процесс перешел в состояние «готовности к запуску в памяти» (3). Планировщик процессов в конечном счете выберет процесс для выполнения и процесс перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра», где доиграет до конца роль, отведенную ему функцией fork.
После всего этого процесс может перейти в состояние «выполнения в режиме задачи». По прохождении определенного периода времени может произойти прерывание работы процессора по таймеру и процесс снова перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра». Как только программа обработки прерывания закончит работу, ядру может понадобиться подготовить к запуску другой процесс, поэтому первый процесс перейдет в состояние «резервирования», уступив дорогу второму процессу. Состояние «резервирования» в действительности не отличается от состояния «готовности к запуску в памяти» (пунктирная линия на рисунке, соединяющая между собой оба состояния, подчеркивает их эквивалентность), но они выделяются в отдельные состояния, чтобы подчеркнуть, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, может быть зарезервирован только в том случае, если он собирается вернуться в режим задачи. Следовательно, ядро может при необходимости подкачивать процесс из состояния «резервирования». При известных условиях планировщик выберет процесс для исполнения и тот снова вернется в состояние «выполнения в режиме задачи».
Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния «выполнения в режиме задачи» переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние «приостанова в памяти», в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод-вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние «готовности к запуску в памяти».