Понятие о работе с файлами через системные вызовы и стандартную библиотеку ввода-вывода для языка C

Потоковая передача информации может осуществляться не только между процессами, но и между процессом и устройством ввода-вывода, например между процессом и диском, на котором данные представляются в виде файла. Поскольку понятие файла должно быть знакомо изучающим этот курс, а системные вызовы, использующиеся для потоковой работы с файлом, во многом соответствуют системным вызовам, применяемым для потокового общения процессов, мы начнем наше рассмотрение именно с механизма потокового обмена между процессом и файлом.

Как мы надеемся, из курса программирования на языке C вам известны функции работы с файлами из стандартной библиотеки ввода-вывода, такие как fopen(), fread (), fwrite(), fprintf(), fscanf(), fgets() и т.д. Эти функции входят как неотъемлемая часть в стандарт ANSI на язык C и позволяют программисту получать информацию из файла или записывать ее в файл при условии, что программист обладает определенными знаниями о содержимом передаваемых данных. Так, например, функция fgets() используется для ввода из файла последовательности символов, заканчивающейся символом '\n' – перевод каретки. Функция fscanf() производит ввод информации, соответствующей заданному формату, и т. д. С точки зрения потоковой модели операции, определяемые функциями стандартной библиотеки ввода-вывода, не являются потоковыми операциями, так как каждая из них требует наличия некоторой структуры передаваемых данных.

В операционной системе UNIX эти функции представляют собой надстройку – сервисный интерфейс – над системными вызовами, осуществляющими прямые потоковые операции обмена информацией между процессом и файлом и не требующими никаких знаний о том, что она содержит. Чуть позже мы кратко познакомимся с системными вызовами open(), read(), write() и close(), которые применяются для такого обмена, но сначала нам нужно ввести еще одно понятие – понятие файлового дескриптора.

Файловый дескриптор

На лекции 2 мы говорили, что информация о файлах, используемых процессом, входит в состав его системного контекста и хранится в его блоке управления – PCB. В операционной системе UNIX можно упрощенно полагать, что информация о файлах, с которыми процесс осуществляет операции потокового обмена, наряду с информацией о потоковых линиях связи, соединяющих процесс с другими процессами и устройствами ввода-вывода, хранится в некотором массиве, получившем название таблицы открытых файлов или таблицы файловых дескрипторов. Индекс элемента этого массива, соответствующий определенному потоку ввода-вывода, получил название файлового дескриптора для этого потока. Таким образом, файловый дескриптор представляет собой небольшое целое неотрицательное число, которое для текущего процесса в данный момент времени однозначно определяет некоторый действующий канал ввода-вывода. Некоторые файловые дескрипторы на этапе старта любой программы ассоциируются со стандартными потоками ввода-вывода. Так, например, файловый дескриптор 0 соответствует стандартному потоку ввода, файловый дескриптор 1 – стандартному потоку вывода, файловый дескриптор 2 – стандартному потоку для вывода ошибок. В нормальном интерактивном режиме работы стандартный поток ввода связывает процесс с клавиатурой, а стандартные потоки вывода и вывода ошибок – с текущим терминалом.

Более детально строение структур данных, содержащих информацию о потоках ввода-вывода, ассоциированных с процессом, мы будем рассматривать позже, при изучении организации файловых систем в UNIX (семинары 11–12 и 13–14).

Открытие файла. Системный вызов open()

Файловый дескриптор используется в качестве параметра, описывающего поток ввода-вывода, для системных вызовов, выполняющих операции над этим потоком. Поэтому прежде чем совершать операции чтения данных из файла и записи их в файл, мы должны поместить информацию о файле в таблицу открытых файлов и определить соответствующий файловый дескриптор. Для этого применяется процедура открытия файла, осуществляемая системным вызовом open().

Системный вызов open() использует набор флагов для того, чтобы специфицировать операции, которые предполагается применять к файлу в дальнейшем или которые должны быть выполнены непосредственно в момент открытия файла. Из всего возможного набора флагов на текущем уровне знаний нас будут интересовать только флаги O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_CREAT и O_EXCL. Первые три флага являются взаимоисключающими: хотя бы один из них должен быть применен и наличие одного из них не допускает наличия двух других. Эти флаги описывают набор операций, которые, при успешном открытии файла, будут разрешены над файлом в дальнейшем: только чтение, только запись, чтение и запись. Как вам известно из материалов семинаров 1-2, у каждого файла существуют атрибуты прав доступа для различных категорий пользователей. Если файл с заданным именем существует на диске, и права доступа к нему для пользователя, от имени которого работает текущий процесс, не противоречат запрошенному набору операций, то операционная система сканирует таблицу открытых файлов от ее начала к концу в поисках первого свободного элемента, заполняет его и возвращает индекс этого элемента в качестве файлового дескриптора открытого файла. Если файла на диске нет, не хватает прав или отсутствует свободное место в таблице открытых файлов, то констатируется возникновение ошибки.

В случае, когда мы допускаем, что файл на диске может отсутствовать, и хотим, чтобы он был создан, флаг для набора операций должен использоваться в комбинации с флагом O_CREAT. Если файл существует, то все происходит по рассмотренному выше сценарию. Если файла нет, сначала выполняется создание файла с набором прав, указанным в параметрах системного вызова. Проверка соответствия набора операций объявленным правам доступа может и не производиться (как, например, в Linux).

В случае, когда мы требуем, чтобы файл на диске отсутствовал и был создан в момент открытия, флаг для набора операций должен использоваться в комбинации с флагами O_CREAT и O_EXCL.

Подробнее об операции открытия файла и ее месте среди набора всех файловых операций будет рассказываться на лекции 7 " Файловая система с точки зрения пользователя". Работу системного вызова open() с флагамиO_APPEND и O_TRUNC мы разберем на семинарах 11–12, посвященных организации файловых систем в UNIX.