Основы программирования в Linux

В каталоге /dev можно найти и другие устройства, такие как дисководы жестких дисков и флоппи-дисководы, коммуникационные порты, ленточные накопители, дисководы CD-ROM, звуковые карты и некоторые устройства, представляющие внутреннюю структуру системы. Есть даже устройство /dev/zero, действующее как источник нулевых байтов для создания файлов, заполненных нулями. Для доступа к некоторым из этих устройств вам понадобятся права супер пользователя; обычные пользователи не могут писать программы, непосредственно обращающиеся к низкоуровневым устройствам, таким как накопители жестких дисков. Имена файлов устройств могут быть в разных системах различными. В дистрибутивах ОС Linux обычно есть приложения, выполняемые от имени суперпользователя и управляющие устройствами, которые иначе будут недоступны, например, mount для монтируемых пользователями файловых систем.

Устройства делятся на символьные и блочные. Отличие заключается в том, что к некоторым устройствам следует обращаться поблочно. Обычно только блочные устройства, такие как жесткие диски, поддерживают определенный тип файловой системы.

В этой главе мы сосредоточимся на дисковых файлах и каталогах. Другому устройству, пользовательскому терминалу, будет посвящена глава 5.

Системные вызовы и драйверы устройств

Вы можете обращаться к файлам и устройствам и управлять ими, применяя небольшой набор функций. Эти функции, известные как системные вызовы, непосредственно представляются системой UNIX (и Linux) и служат интерфейсом самой операционной системы.

В сердце операционной системы, ее ядре, есть ряд драйверов устройств. Они представляют собой коллекцию низкоуровневых интерфейсов для управления оборудованием системы. Например, в ней есть драйвер устройства для ленточного накопителя, который знает, как запустить ленту, перемотать ее вперед и назад, прочитать ее и записать на нее и т.д. Ему известно, что на ленту следует писать данные блоками определенного размера. Поскольку ленты — по природе своей устройства с последовательным доступом, драйвер не может обращаться непосредственно к блокам ленты, сначала он должен перемотать ленту до нужного места. Точно так же низкоуровневый драйвер накопителя жесткого диска будет записывать на диск в каждый момент времени только целое число дисковых секторов, но сможет прямо обратиться к любому нужному блоку диска, поскольку диск — это устройство с произвольным доступом.

Для формирования одинакового интерфейса драйверы устройств включают в себя все аппаратно-зависимые свойства. Уникальные аппаратные средства обычно доступны через системный вызов

(I/O control, управление вводом/выводом).

Файлы устройств из каталога /dev используются одинаково: они могут открываться, читаться, на них можно записывать и их можно закрывать. Например, один и тот вызов

, используемый для доступа к обычному файлу, применяется для обращения к пользовательскому терминалу, принтеру или ленточному накопителю.

К низкоуровневым функциям или системным вызовам, используемым для обращения к драйверам устройств, относятся следующие:

□

— открывает файл или устройство;

□

— читает из открытого файла или устройства;

□ 

— пишет в файл или устройство;

□

— закрывает файл или устройство;

□

— передает управляющую информацию драйверу устройства.

Системный вызов

применяется для аппаратно-зависимого управления (как альтернатива стандартного ввода/вывода), поэтому он у каждого устройства свой. Например, вызов может применяться для перемотки ленты в ленточном накопителе или установки характеристик управления потоками последовательного порта. Этим объясняется необязательная переносимость с машины на машину. Кроме того, у каждого драйвера определен собственный набор команд .

Этот системный вызов, как и другие, обычно описывается в разделе 2 интерактивного справочного руководства. Прототипы функций со списком параметров и типом возвращаемого функцией значения, используемые в системных вызовах, а также связанные с ними директивы

с определением констант представлены в файлах . Нужные для каждого системного вызова дополнения будут подключаться с описаниями отдельных вызовов.

Библиотечные функции

Проблема использования низкоуровневых системных вызовов непосредственно для ввода и вывода заключается в том, что они могут быть очень неэффективны. Почему? Ответ может быть следующим.

□ При выполнении системных вызовов существуют эксплуатационные издержки. Поэтому системные вызовы требуют больше затрат по сравнению с библиотечными функциями, т.к. ОС Linux вынуждена переключаться с выполнения вашего программного кода на собственный код ядра и затем возвращаться к выполнению вашей программы. Было бы неплохо стараться свести к минимуму применение системных вызовов в программе и заставлять каждый такой вызов выполнять максимально возможный объем работы, например, считывать и записывать за один раз большие объемы данных, а не одиночные символы.

□ У оборудования есть ограничения, накладываемые на размер блока данных, которые могут быть считаны или записаны в любой конкретный момент времени. У ленточных накопителей, например, часто есть размер блока для записи, скажем 10 Кбайт, поэтому, если вы попытаетесь записать количество информации, не кратное 10 Кбайт, накопитель переместит ленту к следующему блоку в 10 Кбайт, оставив на ленте пустоты.

Для формирования высокоуровневого интерфейса для устройств и дисковых файлов дистрибутив Linux (и UNIX) предоставляет ряд стандартных библиотек. Они представляют собой коллекции функций, которые вы можете включать в свои программы для решения подобных проблем. Хорошим примером может послужить стандартная библиотека ввода/вывода, обеспечивающая буферизованный вывод. Вы сможете эффективно записывать блоки данных разных размеров, применяя библиотечные функции, которые будут выполнять низкоуровневые системные вызовы, снабжая их полными блоками, как только данные станут доступны. Это существенно снижает издержки системных вызовов.

Библиотечные функции, как правило, описываются в разделе 3 интерактивного справочного руководства и часто снабжаются стандартным файлом директивы

, связанным с ними, например, файл stdio.h для стандартной библиотеки ввода/вывода.

Для обобщения материала последних нескольких разделов на рис. 3.2 приведена схема системы Linux, на которой показано, где расположены различные функции работы с файлами относительно пользователя, драйверов устройств, ядра системы и оборудования.

Рис. 3.2

Низкоуровневый доступ к файлам

У каждой выполняющейся программы, называемой процессом, есть ряд связанных с ней дескрипторов файлов. Существуют короткие целые (small integer) числа, которые можно использовать для обращения к открытым файлам и устройствам. Количество дескрипторов зависит от конфигурации системы. Когда программа запускается, у нее обычно уже открыты три подобных дескриптора. К ним относятся следующие: