Цель работы: познакомиться с файловой системой ОС UNIX, изучить механизмы ее функционирования, основные элементы файловой системы: суперблок, массив индексных дескрипторов файлов, типы файлов, список свободных индексных дескрипторов файлов, список свободных блоков данных.

Ход работы

Познакомиться с файловой системой ОС UNIX и программными средствами работы с ней.

Ознакомиться с заданием к работе.

Для своего варианта составить программу на языке Си, реализующую требуемые действия.

Отладить и оттестировать составленную программу, используя инструментарий ОС UNIX.

Ответить на контрольные вопросы.

Краткий обзор

Все файлы ОС UNIX в соответствии с их типом могут быть отнесены к одной из следующих групп: обычные файлы, каталоги, специальные файлы устройств, каналы, символические ссылки.

Обычный файл представляет собой совокупность блоков диска, входящих в состав файловой системы ОС UNIX. В указанных блоках может быть произвольная информация.

Каталоги представляют собой файлы особого типа, каждый элемент каталога состоит из двух полей: поля имени файла и поля, содержащего указатель на дескриптор файла, где хранится вся информация о файле: дата создания, размер, код защиты, имя владельца и т.д. В любом каталоге содержится, по крайней мере, два элемента, содержащие в поле имени файла имена «.» и «..». Элемент каталога, содержащий в поле имени файла контекст «.«, в поле ссылки содержит ссылку на дескриптор файла, описывающий этот каталог. Элемент каталога, содержащий в поле имени файла контекст «..«, в поле ссылки содержит ссылку на дескриптор файла, в котором хранится информация о родительском каталоге текущего каталога. Перед именем каталога, как правило,  стоит косая черта /. Косая черта в начале имени обозначает «корневой каталог», который является, точкой, в которой «склеены» между собой все диски системы. В ОС UNIX никогда не обращаются к самому диску, а всегда — к подкаталогам корневого каталога.

Специальные файлы — это файлы, каждому из которых ставится в соответствие внешнее устройство, поддерживаемое ОС UNIX и имеющее специальную структуру. Его нельзя использовать для хранения данных, как обычный файл или каталог. В то же время над специальным файлом можно производить те же операции, что и над обычным файлом: открывать, вводить и/или выводить информацию и т.д. Результат применения любой из этих операций зависит от того, какому конкретному устройству соответствует обрабатываемый специальный файл, однако в любом случае будет осуществлена соответствующая операция ввода-вывода на внешнее устройство, которому соответствует выбранный специальный файл.

Четвертый вид файлов – каналы. Программные каналы представляют собой средство обмена данными между процессами  в UNIX.В этом случае для выполнения обмена используются не команды чтения/записи в память, а функции чтения/записи в файл. Программный канал считается файлом, для работы с ним используются те же операции, что для последовательного доступа к файлу: открытие, чтение, запись, закрытие. Однако источником читаемых данных служит не файл на диске, а процесс, выполняющий запись в другой конец канала. Данные, записанные одним процессом, но пока не прочитанные другим, хранятся в системном буфере. Если же процесс пытается прочесть данные, которые пока не записаны другим процессом, то процесс-читатель блокируется до получения данных.

В таблице  1 приведены системные функции ОС UNIX для работы с файловой системой.

Таблица1

Функции для работы с файловой системой

Возвращают дескриптор файла	Преобразуют имя в описатель	Назначают inode	Работают с атрибутами	Ввод/вывод из файла	Работают со структурой ФС	Управляют деревьями
Open, creat, dup, pipe, close	Open, creat, chdir, chmod, stat, mkfifo, mound, mknod, link, unmount, unlink, chown	Creat, link, unlink, mknod	Chown, chmod, stat	Read, write, lseek	Mount, unmount	Chmod, chown

Остановимся на тех из них, которые требуются для выполнения работы. Для получения информации о типе файла необходимо воспользоваться системными вызовами stat() (fstat()). Формат системных вызовов stat() (fstat()):

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int stat(const char *name, struct stat *stbuf)

int fstat(int fd, struct stat *stbuf)

 

Оба системных вызова помещают информацию о файле (в первом случае специфицированным именем name, а во втором — дескриптором файла fd) в структурную переменную, на которую указывает stbuf. Вызывающая функция должна позаботиться о резервировании места для возвращаемой информации; в случае успеха возвращается 0, в противном случае -1 и код ошибки в errno. Описание структуры stat содержится в файле <sys/stat.h>. С небольшими модификациями она имеет вид:

struct stat

{

dev_t st_dev; /* device file */

ino_t st_ino; /* file serial inode */

ushort st_mode; /* file mode */

short st_nlink; /* number of links */

ushort st_uid; /* user ID */

ushort st_gid; /* group ID */

dev_t st_rdev; /* device ident */

off_t st_size; /* size of file */

time_t st_atime; /* last access time */

time_t st_mtime; /* last modify time */

time_t st_ctime; /* last status change */

}

Поле st_mode структуры stat содержит флаги, описывающие файл. Флаги несут следующую информацию:

S_IFMT     0170000 — тип файла

S_IFDIR     0040000 — каталог

S_IFCHR   0020000 — байт-ориентированный специальный файл

S_IFBLK    0060000 — блок-ориентированный специальный файл

S_IFREG   0100000 — обычный файл

S_IFFIFO   0010000 — дисциплина FIFO

S_ISUID    04000 — идентификатор владельца

S_ISGID    02000 — идентификатор группы

S_ISVTX   01000 — сохранить свопируемый текст

S_ISREAD          00400 — владельцу разрешено чтение

S_IWRITE 00200 — владельцу разрешена запись

S_IEXEC   00100 — владельцу разрешено выполнение.

Символьные константы, четыре первых символа которых совпадают с контекстом S_IF, могут быть использованы для определения типа файла.

Большинство системных вызовов, работающих с каталогами, оперируют структурой dirent, определенной в заголовочном файле <dirent.h>

 

struct dirent

{

ino_t d_ino; /* номер индексного дескриптора */

char d_name[DIRSIZ]; /* имя файла */

}

 

Если файл был стерт, то в поле d_ino записи каталога будет содержаться 0 (именно поэтому  I-узлы нумеруются начиная с 1, а не с 0).  При удалении файла содержимое его (блоки) уничтожается, I-узел освобождается, но имя в  каталоге  не  затирается  физически,  а  просто помечается как стертое: d_ino=0; поэтому имена с d_ino==0  —  это  имена уже уничтоженных файлов.

При создании нового имени (creat, link, mknod) система просматривает  каталог  и использует  первый от начала свободный слот (ячейку каталога) где d_ino==0, записывая новое имя в него (только в этот момент старое имя окончательно исчезнет физически).  Если пустых мест нет — каталог удлиняется.

Любой каталог всегда содержит два стандартных имени: «.»  — ссылка  на  текущий каталог  (на  его  собственный  I-node),  «..» — на вышележащий каталог.  У корневого каталога «/» оба этих имени ссылаются на него самого (т.е. содержат d_ino==2).

Имя каталога не содержится в нем самом. Оно содержится в родительском каталоге «..».

Создание  каталога выполняется системным вызовом mkdir():

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkdir (char *pathname, mode_t mode);

При удалении каталога необходимо выполнить  системный вызов rmdir().

#include <unistd.h>

int rmdir (char *pathname);

Открытие и закрытие каталога выполняется системными вызовами opendir() и closedir():

#include <sys/types.h>

#include <dirent.h>

DIR *opendir (char *dirname);

При успешном открытии каталога системный вызов возвращает указатель на переменную типа DIR, являющуюся дескриптором каталога, определенную в файле <dirent.h> и используемую при чтении и записи в каталог. При неудачном вызове возвращается значение NULL.

#include <dirent.h>

int closedir (DIR *dirptr);

где dirptr — дескриптор каталога.

Для смены каталога служит системный вызов chdir():

#include <unistd.h>

int chdir (char *pathname);

Чтение записей каталога выполняется системным вызовом readdir():

#include <sys/types.h>

#include <dirent.h>

struct dirent *readdir (DIR *dirptr);

Системный вызов readdir() по номеру дескриптора каталога возвращает очередную запись из каталога в структуру dirent, либо нулевой указатель при достижении конца каталога. При успешном чтении, указатель каталога перемещается к следующей записи.

Дополнительный системный вызов void rewinddir (DIR *dirptr);переводит указатель каталога к первой записи каталога.

Функция  getcwd  получает полное имя текущего рабочего каталога и запоминает его в pathbuf. Целый аргумент n определяет максимальную длину для имени директории. Возникает ошибка, если длина имени каталога, включая нулевой символ окончания, превышает n.

#include <direct.h>

char *getcwd(pathbuf,n);

Здесь char *pathbuf — память для path-имени,  int n — максимальная длина имени.

Аргумент pathbuf может быть NULL; буфер  размером  n  будет автоматически  захватываться  посредством malloc и использоваться для хранения path-имени.

Функция getcwd возвращает  pathbuf.  Возвращаемое  значение NULL свидетельствует об ошибке  и errno устанавливается в одно из следующих значений:

ENOMEM  — памяти недостаточно для размещения    n байт  (когда  аргумент  NULL  задан как pathbuf).

ERANGE —     path-имя длинее, чем n символов.

 

Для разработки программы необходимо использовать компилятор GCC (GNU Compiler Collection), который входит в дистрибутив UNIX. Для создания исходного кода программ можно воспользоваться любым текстовым редактором (ee, vi и т.д.). После создания файла его необходимо сохранить с расширением .c, затем с консоли набрать команду gcc 1.c (вместо 1.с имя Вашего файла). После этого в каталоге должен появиться  файл a.out, который необходимо запустить, чтобы просмотреть результаты работы программы, для этого выполните команду: ./a.out. Компилятор gсс по умолчанию присваивает всем созданным исполняемым файлам имя a.out. Если Вы хотите назвать его  по-другому, нужно к команде на компиляцию добавить флаг  —o и имя, которым необходимо назвать исполняемый файл: gсс 1.c –o primer. После чего в каталоге появится файл primer, который необходимо выполнить командой ./primer.

Пример программы, которая просматривает текущий каталог и записывает в файл имена всех встретившихся в нем файлов и каталогов:

 

//Подключение библиотек

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <dirent.h>

// Объявление констант имени просматриваемого каталога и файла для записи результата

#define DIRNAME «.»

#define OFNAME  «out.log»

 

int main(void)

{

FILE *ofp;

DIR *dp;

struct dirent *dent;

 

if( (dp = opendir(DIRNAME)) == NULL) {

 

//Если открыть каталог не удалось, выводим в файл сообщение об ошибке и возвращаем код возврата равный 1

 

fprintf(stderr, «opendir: %s: %s\n», DIRNAME, strerror(errno));

return 1;

}

if( (ofp = fopen(OFNAME, «w»)) == NULL) {

fprintf(stderr, «fopen: %s: %s\n», OFNAME, strerror(errno));

return 1;

}

 

// построчно считываем имена файлов из каталога

while(dent = readdir(dp))

 

// проверка, что имя каталога не равно «.» и «..»

// функция strcmp возвращает 0, если значения сравниваемых строк совпадают

if(strcmp(«.», dent->d_name) && strcmp(«..», dent->d_name))

//записываем имя каталога в файл

fprintf(ofp, «%s\n», dent->d_name);

closedir(dp);

fclose(ofp);

return 0; //код возврата равен 0, функция выполнена без ошибок

}

 

Вариант задания (необходимо выполнить!)

 

1. Разработать программу, которая выводит на экран содержимое текущего каталога в алфавитном порядке. Каталоги не выводить.

 

Контрольные вопросы

Как производится выделение свободных блоков под файл?

Как производится освобождение блоков данных, занятых под файл?

Каким образом осуществляется монтирование дисковых устройств?

Что хранится в структуре stat?

Каким образом осуществляется защита файлов в ОС UNIX?

Каковы права доступа к файлу, при которых владелец может выполнять все операции (r, w, x), а прочие пользователи — только читать?

Какие типы файлов можно выделить в UNIX?