UNIX — универсальная среда программирования - Керниган Брайан Уилсон

Глава 7

Системные вызовы в UNIX

В настоящей главе мы рассмотрим самый низкий уровень взаимодействия с операционной системой UNIX системные вызовы. Они являются входами в ядро. Эти средства предоставляются операционной системой; все остальные средства построены на их основе.

Материал главы охватывает несколько важных областей. К ним относится прежде всего система ввода-вывода, являющаяся основной для функций типа fopen и putс. Речь пойдет также о файловой системе, в частности о каталогах и индексных дескрипторах. Затем мы обсудим процессы, т.е. как запускать задачи из программы, после чего поговорим о сигналах и прерываниях: что происходит, когда вы нажимаете клавишу DELETE, и как такую ситуацию должным образом обработать в программе.

Как и в гл. 6, во многих примерах приводятся полезные программы, не вошедшие в седьмую версию. Даже если они не помогут вам непосредственно, знакомство с ними может навести вас на мысль о сходных средствах, которые целесообразно создать и для вашей системы.

Подробное описание системных вызовов вы можете найти во втором разделе справочного руководства по UNIX, так как здесь освещаются лишь основные вопросы.

7.1 Ввод-вывод низкого уровня

Низкий уровень ввода-вывода представляет собой непосредственный вход в операционную систему Ваши программы читают или пишут файлы порциями некоторого подходящего размера. Ядро буферизует данные порциями, которые подходят для периферийных устройств, и планирует операции для устройств так, чтобы их производительность была оптимальной для всех пользователей.

Ввод и вывод обычно осуществляются посредством чтения или записи файлов, так как все периферийные устройства, и даже ваш терминал, представлены как файлы в файловой системе. Таким образом, единый интерфейс обеспечивает связь между программой и периферийными устройствами.

В самом общем случае, прежде чем читать или писать файл, необходимо сообщить системе о вашем намерении открыть файл. Если вы собираетесь писать в файл, может быть, его необходимо и создать. Система проверяет ваше право сделать это (существует ли файл и есть ли у вас разрешение на доступ к нему?), и при положительном результате проверки возвращает неотрицательное целое, называемое дескриптором файла. Всякий раз, когда нужно выполнить ввод-вывод через файл, для его идентификации вместо имени используется дескриптор файла. Вся информация об открытом файле поддерживается системой. Ваша программа ссылается на файл только через дескриптор файла. Указатель на FILE, как отмечалось в гл. 6, является ссылкой на структуру, которая наряду с прочим содержит дескриптор файла: макрокоманда fileno(fp), определенная в <stdio.h>, возвращает дескриптор файла.

Для обеспечения удобства ввода и вывода на терминал предусмотрены специальные меры. Когда программа запускается из shell, она получает три открытых файла с дескрипторами 0, 1 и 2 стандартный входной поток, стандартный выходной поток и стандартный файл диагностики. Всем им по умолчанию поставлен в соответствие терминал, поэтому если программа читает только через дескриптор файла 0 и пишет через дескрипторы файлов 1 и 2, она может выполнять ввод-вывод без открывания файлов. Если же программа открывает любые другие файлы, они будут иметь дескрипторы 3, 4 и т.д.

При переключении ввода-вывода на файлы или программные каналы (к ним или от них) shell изменяет назначение терминала по умолчанию для дескрипторов файлов 0 и 1. Обычно дескриптор файла 2 закрепляется за терминалом, так что сообщения об ошибках могут поступать на него. Использование символики shell, такой, как 2>filename и 2>&1, вызовет переназначение файла, присвоенного по умолчанию, но при этом присвоение файлов меняется в shell, а не программой. (Программа сама может переназначить их впоследствии, если потребуется, что, правда, бывает редко.)

Весь ввод и вывод обеспечиваются двумя системными вызовами, read и write, которые доступны в Си с помощью функций с теми же именами. Для обеих первый аргумент это дескриптор файла, второй массив байтов, который служит источником данных или назначением, а третий число байтов, которые следует передать.

int fd, n, nread, nwritten;

char buf[SIZE];

nread = read(fd, buf, n);

nwritten = write(fd, buf, n);

Каждый вызов возвращает число переданных байтов. При чтении возвращенное число может быть меньше, чем запрошенное, поскольку для чтения оставлено менее n байт. (Когда файлу поставлен в соответствие терминал, read обычно читает до следующей строки, что составляет меньшую часть запрошенного.) Возвращаемое значение 0 подразумевает конец файла, а значение -1 обозначает некоторую ошибку. При записи возвращаемое значение есть число действительно записанных байтов; если оно не равно числу байтов, которое предполагается записать, возникает ошибка. Несмотря на то, что число байтов, которые следует читать или писать, не ограничено, наиболее часто используются два значения: 1, что соответствует одному символу за одно обращение ("не буферизовано"), и размер блока на диске, как правило,- 512 или 1024 байта (такое значение имеет BUFSIZ в <stdio.h>). Для иллюстрации изложенного здесь приведена программа копирования входного потока в выходной. Так как входной и выходной потоки могут переключаться на любой файл или устройство, она действительно скопирует что-нибудь куда-либо: это "скелетная" реализация cat.

/* cat: minimal version */

#define SIZE 512 /* arbitrary */

main() {

 char buf[SIZE];

 int n;

 while ((n = read(0, buf, sizeof buf)) > 0)

  write(1, buf, n);

 exit(0);

}

Если размер файла не кратен числу SIZE, некоторый вызов read вернет меньшее число байтов, которые должны быть записаны с помощью write; следующий затем вызов read вернет нуль.

Чтение и запись порциями, подходящими для диска, будут наиболее эффективными, но даже ввод-вывод по одному символу за раз осуществим для умеренных объемов буферизуются ядром. Дороже всего обходятся обращения к системе. Программа ed, например, использует однобайтовый способ, чтобы читать стандартный входной поток. Мы хронометрировали работу данной версии cat для файла в 54 000 байт при шести значениях SIZE: