Лабораторная работа № 3
Структура системы управления вводом-выводом в ОС UNIX
Цель работы
Ознакомиться с системой управления вводом-выводом в ОС UNIX и основными структурами данных, используемыми этой системой. Исследовать механизм работы системы управления вводом-выводом.
Содержание работы
  1. Изучить систему управления вводом-выводом ОС UNIX.
  2. Изучить структуры данных, используемые этой системой.
  3. Ознакомиться с заданием к лабораторной работе.
  4. Для указанного варианта разработать программу, моделирующую работу системы управления вводом-выводом ОС UNIX по ведению структур (таблиц), отслеживающих операции ввода-вывода в системе.
  5. Отладить и оттестировать составленную программу, используя инструментарий ОС UNIX.
  6. Защитить лабораторную работу, ответив на контрольные вопросы.
Методические указания к лабораторной работе
Основным назначением системы управления вводом-выводом ОС UNIX является создание интерфейса между программой и внешним устройством компьютера. Поскольку любая операция ввода-вывода осуществляется как операция ввода-вывода в файл, то логическая структура программного интерфейса, реализуемого системой управления вводом-выводом, не зависит ни от типа данных, ни от типа внешнего устройства компьютера.
При осуществлении операций ввода-вывода в файл, специфицированный пользовательским дескриптором файла, ОС UNIX ставит в соответствие используемому системному вызову последовательность программных запросов к аппаратуре компьютера с помощью целого ряда связанных наборов данных, структура которых поддерживается самой ОС UNIX, ее файловой системой и системой управления вводом-выводом. Основным из упомянутых наборов можно считать таблицу описателей файлов.
Таблица описателей файлов представляет собой хранящуюся в оперативной памяти компьютера структуру данных, элементами которой являются копии описателей файлов, по одной на каждый файл ОС UNIX, к которому была осуществлена попытка доступа. При выполнении операции открытия файла в ОС UNIX сначала по полному имени файла определяется элемент каталога, где в поле имени содержится имя файла, для которого производится операция открытия файла. В найденном элементе каталога из поля ссылки извлекается порядковый номер описателя файла. Затем описатель файла с соответствующим номером копируется в оперативную память, в ее область, называемую таблицей описателей файлов (если он до этого там отсутствовал).
С таблицей описателей файлов тесно связана другая структура данных, называемая таблицей файлов. Каждый элемент таблицы файлов содержит информацию о режиме открытия файла, специфицированным при открытии файла, а также информацию о положении указателя чтения-записи. При каждом открытии файла в таблице файлов появляется новый элемент.
Один и тот же файл ОС UNIX может быть открыт несколькими не связанными друг с другом процессами, при этом ему будет соответствовать один элемент таблицы описателей файлов и столько элементов таблицы файлов, сколько раз этот файл был открыт. Однако из этого правила есть одно исключение: оно касается случая, когда файл, открытый процессом, потом открывается процессом-потомком, порожденным с помощью системного вызова fork(). При возникновении такой ситуации операции открытия файла, осуществленной процессом-потомком, будет поставлен в соответствие тот из существующих элементов таблицы файлов (в том числе положение указателя чтения-записи), который в свое время был поставлен в соответствие операции открытия этого файла, осуществленной процессом-предком.
Третий набор данных называется таблицей открытых файлов процесса. Каждому процессу в ОС UNIX сразу после порождения ставится в соответствие таблица открытых файлов процесса. Если, в свою очередь, указанный процесс порождает новый процесс, например, с помощью системного вызова fork(), то процессу-потомку ставится в соответствие таблица открытых файлов процесса, которая в первый момент функционирования процесса-потомка представляет собой копию таблицы открытых файлов процесса-предка.
В результате каждый элемент таблицы открытых файлов процесса содержит указатель местоположения соответствующего элемента таблицы файлов, которая в свою очередь, содержит ссылку на элемент таблицы описателей файла. Если пользовательский дескриптор файла использовать для индексации элементов таблицы открытых файлов процесса, то получим логическую схему системы управления файлами (вводом-выводом).
Лабораторная работа предполагает написание программы, показывающей действия системы управления вводом-выводом при выполнении некоторых действий с файлами. Программа должна демонстрировать динамику формирования таблиц и их изменений в процессе указанных в варианте задания событий.
При этом при выполнении тех заданий, где требуется демонстрировать создание таблиц описателей файлов, информацию о файле необходимо получать с помощью системных вызовов stat (fstat), поскольку именно информация, хранящаяся в описателе файла, в основном и помещается системным вызовом stat (fstat) в структуру, специфицированную его вторым выходным параметром.
Полученную информацию из структуры stat, дополненную именем файла и следует в лабораторных работах трактовать в качестве таблицы описателей файлов.
В тех заданиях, где требуется отслеживать динамику создания и модификации таблиц файлов и таблиц открытых файлов процесса, эти таблицы должны программно моделироваться при возникновении событий, указанных в заданиях лабораторной работы. Никаких действий по созданию процессов в программах выполнять не требуется.
Структура таблицы файлов в программах лабораторной работы (упрощенный вариант) должна иметь вид:
Структура таблицы открытых файлов в программах должна иметь вид:
Варианты заданий
  1. Процесс открывает N файлов, реально существующих на диске либо вновь созданных. Разработать программу, демонстрирующую динамику формирования таблицы описателей файлов и изменения информации в ее элементах (при изменении информации в файлах). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатается таблица описателей файлов для всех открытых файлов.

  2. Процесс создал новый файл и переназначил на него стандартный вывод. Разработайте программу, демонстрирующую динамику создания таблиц, связанных с этим событием (таблица файлов, таблица открытых файлов процесса). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблица описателей файлов, таблица файлов, таблица открытых файлов процессов.

  3. Пусть два процесса осуществляют доступ к одному и тому же файлу, но один из них читает файл, а другой пишет в него. Наступает момент, когда оба процесса обращаются к одному и тому же блоку диска. Пусть некоторая гипотетическая ОС использует ту же механику управления вводом-выводом, что и ОС UNIX, но не позволяет, как в ситуации, описанной выше, обращаться к одному блоку файла. Разработайте программу, которая демонстрирует "замораживание" перемещения указателя чтения-записи одного из процессов до тех пор, пока указатель второго процесса находится в этом блоке. Показать динамику создания всех таблиц, связанных с файлами и процессами, и изменение их содержимого.
    После каждого из этапов печатаются таблицы файлов и открытых файлов обоими процессами.

  4. Пусть N процессов осуществляют доступ к одному и тому же файлу на диске (но с разными режимами доступа). Разработать программу, демонстрирующую динамику формирования таблицы файлов и изменения ее элементов (при перемещении указателей чтения-записи, например). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблицы файлов всех процессов.

  5. Разработайте программу, демонстрирующую работу ОС UNIX при открытии файла процессом и чтении-записи в него. При этом достаточно показать только динамику создания таблиц, связанных с этим событием (таблица описателей файла, таблица файлов, таблица открытых файлов процесса). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблица описателей файлов, таблица файлов, таблица открытых файлов процессов.

  6. Разработайте программу, демонстрирующую работу ОС UNIX при открытии файла процессом. При этом достаточно показать только динамику создания таблиц, связанных с этим событием (таблица описателей файла, таблица файлов, таблица открытых файлов процесса). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблица описателей файлов, таблица файлов, таблица открытых файлов процессов.

  7. Пусть каждый из N процессов осуществляет доступ к Pi файлам (i=1..N). Далее пусть M<N процессов породили процессы-потомки (с помощью системного вызова fork()) и среди этих потомков K<M процессов дополнительно открыли еще Sj файлов (j=1..K). Разработать программу, демонстрирующую динамику формирования таблиц открытых файлов процессов. Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблицы открытых файлов процессов, участвующих в данном этапе.

  8. Процесс создал новый файл и переназначил на него стандартный ввод. Разработайте программу, демонстрирующую динамику создания таблиц, связанных с этим событием (таблица описателей файла, таблица файлов, таблица открытых файлов процесса). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблица описателей файлов, таблица файлов, таблица открытых файлов процессов.

  9. Пусть процесс, открывший N файлов, перед порождением процесса-потомка с помощью системного вызова fork() закрывает K<N файлов. Процесс-потомок сразу после порождения закрывает M<N-K файлов и через некоторое время завершается (в это время процесс-предок ожидает его завершения). Разработайте программу, демонстрирующую динамику изменения данных в системе управления вводом-выводом ОС UNIX (таблицы файлов и таблицы открытых файлов процессов). Например, сценарий программы может быть следующим: После каждого из этапов печатаются таблицы файлов и открытых файлов для обоих процессов.

  10. Пусть процесс осуществляет действия в соответствии со следующим фрагментом программы: 
    main()
{
 ...
 fd=creat(temporary, mode); /* открыть временный файл */
 ...
 /* выполнение операций записи-чтения */
 ...
 close(fd);
}
    Разработайте программу, демонстрирующую динамику изменения данных системы управления вводом-выводом ОС UNIX (таблица описателей файлов, таблица файлов, таблица открытых файлов процесса).

Контрольные вопросы
  1. Какова структура описателей файлов, таблицы файлов, таблицы открытых файлов процесса?
  2. Какова цепочка соответствия дескриптора файла, открытого процессом, и файлом на диске?
  3. Опишите функциональную структуру операции ввода-вывода (пулы, ассоциация их с драйверами, способы передачи информации и т.д.).
  4. Каким образом осуществляется поддержка устройств ввода-вывода в ОС UNIX?
  5. Какова структура таблиц открытых файлов, файлов и описателей файлов после открытия файла?
  6. Какова структура таблиц открытых файлов, файлов и описателей файлов после закрытия файла?
  7. Какова структура таблиц открытых файлов, файлов и описателей файлов после создания канала?
  8. Какова структура таблиц открытых файлов, файлов и описателей файлов после создания нового процесса?