Лекции по операционным системам (2014. Лекции (презентации)), страница 41

Для реализации указанной модели в различных системах имеются разные средства: разные системные вызовы и разные, соответственно, команды, при этом обычно присутствуют как команды подключения драйверов, так и симметричные команды удаления драйверов.

6.2.5Организация обмена данными с файлами

В этом разделе мы рассмотрим механизм организации обмена данными с файлами, после чего станет понятным, что происходит в системе, когда один и тот же файл открывается в системе одновременно несколькими процессами, а в каждом из них, возможно, по нескольку раз.

Для организации операций обмена в ОС Unix используются системные таблицы и структуры, часть которых ассоциирована с каждым процессом (т.е. они располагаются в адресном пространстве процесса), а часть — с самой ОС.

Таблица открытых файлов (ТОФ) создается в адресном пространстве процесса. Каждая запись этой таблицы соответствует открытому в процессе файлу. Говоря о номере дескриптора открытого в процессе файла, — т.н. файловый дескриптор — подразумевается соответствующий номер записи в таблице открытых файлов процесса. Размер данной таблицы определяется при настройке операционной системы: этот параметр декларирует предельное количество открытых в одном процессе файлов.

Каждая запись ТОФ содержит целый набор атрибутов, который в данный момент нам не интересен, но в этом наборе имеется один достаточно важный атрибут — это ссылка на номер записи в таблице файлов операционной системы (ТФ). Таблица файлов ОС является системной таблицей, она представлена в системе в единственном экземпляре. В этой таблице происходит регистрация всех открытых в системе файлов.

В таблице файлов ОС помимо прочего содержатся такие атрибуты, как указатель чтения/записи (ссылающийся на позицию в файле, начиная с которой будет происходить, соответственно, чтение или запись), счетчик кратности (речь о нем пойдет ниже) и ссылка на таблицу индексных дескрипторов открытых файлов.

Таблица индексных дескрипторов открытых файлов (ТИДОФ) также является системной структурой данных, содержащей перечень индексных дескрипторов всех открытых в данный момент в системе файлов. Каждая запись этой таблицы содержит актуальную копию открытого в системе индексного дескриптора. Здесь также хранится целый набор параметров, среди которых имеется и счетчик кратности.

Для иллюстрации рассмотрим следующий пример (Рис. 148.). Пускай в системе запущен Процесс₁, для которого система при его создании сформировала ТОФ₁. Затем этот процесс посредством обращения к системному вызову open() открывает файл с именем name. Это означает, что в свободном месте этой таблицы заводится файловый дескриптор для работы с данным файлом. В этой записи ТОФ хранится ссылка на соответствующую запись в ТФ. Если файл открывается впервые в системе, то в ТФ заводится новая запись для работы с этим файлом. В данной записи хранится указатель чтения/записи, а также коэффициент кратности, который в начале устанавливается в значение 1 — это означает, что с данной записью ТФ ассоциирована единственная запись из какой-либо ТОФ. И, конечно, в данной записи ТФ хранится ссылка на запись в ТИДОФ, содержащую актуальную копию индексного дескриптора обрабатываемого файла. Таблицы ТФ и ТИДОФ хранят оперативную информацию, поэтому они располагаются в ОЗУ. Соответственно, файловая система, работая с блоками открытого файла, оперирует данными, хранимыми именно в ТИДОФ.

1. Организация обмена данными с файлами.

Пускай в системе позже был запущен Процесс₂, который также открыл файл name. В этом случае в ТФ заводится новая запись, в которой устанавливается свой указатель чтения/записи, но эта запись ТФ будет ссылаться на тот же номер записи в ТИДОФ. Такой механизм позволяет корректно (с системной точки зрения) обрабатывать ситуации одновременной работы с одним и тем же файлом: поскольку в итоге все сводится к единственной актуальной копии индексного дескриптора в ТИДОФ, то работа ведется с соответствующими блоками файла. При этом данные процессы работают с файлом каждый «по-своему», т.к. каждый из них оперирует независимыми указателями чтения/записи, хранимыми в различных записях ТФ.

Теперь предположим, что после открытия файла name, Процесс₁ обращается к системному вызову fork() и порождает своего потомка — Процесс₃. При обращении к системному вызову fork() ТОФ родительского процесса копируется в ТОФ сыновнего процесса. Соответственно, все записи ТОФ₃ будут ссылаться на те же записи ТФ, что и записи ТОФ₁. Это означает, что при порождении сыновнего процесса в соответствующих записях ТФ происходит увеличение на 1 счетчика кратности. Заметим, что подобный механизм наследования подразумевает, что дочерний процесс будет работать с теми же указателями чтения/записи, что и родительский процесс.

Рассмотренная модель организации обмена данными с файлами имеет свои достоинства и недостатки. Так, ТИДОФ располагается в оперативной памяти. Это означает, что становится эффективнее работа с файловой системой, поскольку уменьшается число обращений к пространству индексных дескрипторов файловой системы, т.е. этот механизм можно считать кэшированием системных обменов. Но эта модель имеет главный недостаток, связанный с некорректным завершением работы операционной системы: если в системе происходит сбой, то содержимое ТИДОФ будет потеряно, а это означает, что будут потери и в файловой системе.

6.2.6Буферизация при блок-ориентированном обмене

Одним из достоинств ОС Unix является организация многоуровневой буферизации при выполнении неэффективных действий. В частности, для организации блок-ориентированных обменов система использует стандартную стратегию кэширования. Все действия тут те же самые (вплоть до отдельных нюансов). Цель кэширования — минимизация обменов с внешними устройствами.

Для буферизации используют пул буферов, размером в один блок каждый. Вкратце рассмотрим алгоритм, состоящий из пяти действий.

1. Поиск заданного блока в буферном пуле. Если удачно, то переход на п.4

2. Поиск буфера в буферном пуле для чтения и размещения заданного блока.

3. Чтение блока в найденный буфер.

4. Изменение счетчика времени во всех буферах.

5. Содержимое данного буфера передается в качестве результата.

Итак, повторимся: ОС Unix была одной из первых массово распространенных операционных систем, использующих кэширование дисковых обменов. Соответственно, за счет минимизации реальных обращений к физическим устройствам работа системы более эффективная. Но эта организация системы имеет и свои очевидные недостатки. Во-первых, кэширование дисковых обменов приводит к тому, что имеется несоответствие реального содержимого диска и того содержимого, которое должно быть на нем. Соответственно, при сбое системы возможна потеря информации в КЭШах, располагаемых в оперативной памяти. В частности, при сбое возможна потеря индексного дескриптора. Конечно, во время работы система сбрасывает актуальную информацию по местам дислокации, но этого недостаточно. Если теряется индексный дескриптор, то теряется список блоков файла. За счет использования избыточной информации можно организовать и восстановление. Но заметим, что при сбое теряется лишь файл, работоспособность системы остается.

Альтернативными являются системы, работающие без буферизации, когда при каждом обмене происходит реальное обращение к физическому устройству. Эти системы более устойчивы к сбоям в аппаратуре. Примером такой системы может служить Microsoft DOS. Соответственно, при развертывании на ненадежной аппаратуре операционной системы Unix многие ее положительные качества могли теряться.

6.2.7Борьба со сбоями

Так или иначе, но в ОС Unix есть ряд традиционных средств для минимизации ущерба при отказах. Во-первых, в системе может быть задан параметр, определяющий промежутки времени, через которые осуществляется сброс системных данных по местам дислокации.

Во-вторых, в системе доступна команда sync, позволяющая осуществлять в любой момент этот сброс информации по желанию пользователя.

И, наконец, система использует избыточную информацию, позволяющую восстанавливать данные. Поскольку практически весь ввод-вывод сводится к обменам файловой системы, т.е., по сути, идет борьба за сохранность файлов и файловой системы, то использование избыточных данных позволяет восстанавливать системную информацию. Обычно безвозвратные потери происходят с частью пользовательской информации, системная информация почти всегда восстановима.

1 Для создания файла FIFO в UNIX System V.3 и ранее используется системный вызов mknod(), а в BSD UNIX и System V.4 — вызов mkfifo() (этот вызов поддерживается и стандартом POSIX).

2 В данном случае это решение не совсем корректно, поскольку делается предположение, что процессы A и B за 10 единиц времени должны получить последние сообщения. Но для простоты решения мы опускаем проблемы синхронизации.

3 В этом случае возможна некорректная работа, если процессы A и/или B запускаются раньше основного процесса. В этом случае они обратятся к пока еще не созданному ресурсу, что приведет к ошибке.

215