Sistemas Operativos: Programación de Sistemas. Curso Oscar Déniz Suárez Alexis Quesada Arencibia Francisco J.


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1 Tema 9 : Entrada - Salida Sistemas Operativos: Programación de Sistemas Oscar Déniz Suárez Alexis Quesada Arencibia Francisco J. Santana Pérez Curso

2 Introducción El manejo de la E/S de un sistema operativo es un punto clave Los programadores en C en Unix tienen disponibles dos conjuntos de funciones para acceso a archivos: Funciones de la librería estándar: printf, fopen... Llamadas al sistema Las funciones de librería se implementan haciendo uso de llamadas al sistema Aunque las funciones de librería hacen más cómodo el acceso, las llamadas al sistema proporcionan el tipo de acceso más directo que puede tener un programa

3 Introducción Para el kernel, todo fichero abierto se identifica con un descriptor de fichero Los accesos al fichero se realizan usando dicho descriptor Los descriptores sirven en realidad para acceder a cualquier otro componente del sistema que sea capaz de enviar y recibir datos: dispositivos, sockets,... Por convención se definen los siguientes descriptores: 0 = entrada estándar 1 = salida estándar 2 = error estándar

4 Introducción El kernel mantiene varias estructuras de datos muy importantes relacionadas con ficheros: Tabla de descriptores de fichero. Es una estructura local a cada proceso que indica todos los ficheros abiertos por un proceso. Cada entrada apunta a su vez a una entrada en la tabla de ficheros del sistema. Objetos de ficheros abiertos. Es una estructura manejada por el núcleo asociada a cada fichero abierto en el sistema (puntero de acceso - desplazamiento de lectura/escritura, etc ) Tabla de i-nodos. Guarda información asociada a cada fichero (propietario, permisos, situación del fichero en disco, )

5 Introducción Tabla de descriptores de ficheros del proceso A Objetos de Ficheros Abiertos Tabla de i-nodos Puntero lect/esc Modo de apertura Puntero lect/esc Modo de apertura Tabla de descriptores de ficheros del proceso B Puntero lect/esc Modo de apertura Puntero lect/esc Modo de apertura

6 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int open(const char *pathname, int flags). int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); mode indica los permisos de acceso (necesario si el fichero se va a crear) flags puede ser una combinación OR de: O_RDONLY = Solo lectura O_WRONLY = Solo escritura Una de estas es obligatoria O_RDWR = Lectura/escritura O_CREAT = Crea el fichero si no existe O_EXCL = Falla si el fichero ya existe (junto con O_CREAT) O_TRUNC = Trunca el fichero a longitud 0 si ya existe O_APPEND = Se añade por el final O_NONBLOCK = Si las operaciones no se pueden realizar sin esperar, volver antes de completarlas O_SYNC = Las operaciones no retornarán antes de que los datos sean físicamente escritos al disco o dispositivo

7 #include <unistd.h> int close(int fd); #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int creat(const char *pathname, int mode); creat es equivalente a: open(pathname, O_WRONLY O_CREAT O_TRUNC, mode) Cuando un proceso termina todos sus ficheros abiertos son automáticamente cerrados por el kernel

8 #include <sys/types.h> #include <unistd.h> off_t lseek(int fildes, off_t offset, int whence); Todo fichero tiene asociado un puntero que marca la posición del siguiente acceso, respecto al principio El puntero se guarda en la tabla de ficheros La interpretación de offset (que puede ser negativo) depende de whence: SEEK_SET => posicionamiento respecto al inicio del fichero SEEK_CUR => posicionamiento respecto a la posición actual SEEK_END => posicionamiento respecto al fin del archivo lseek devuelve el puntero actual Si se lleva el puntero más allá del fin del fichero y luego se escribe, el fichero se hará más grande, rellenando con ceros

9 #include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); count es el nº de bytes a leer read devuelve el nº de bytes leídos o 0 si estamos al final del fichero Si p.ej. el fichero tiene 30 bytes e intentamos leer 100, read devuelve 30. La próxima vez que se llame read devuelve 0

10 #include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); nbytes es el nº de bytes a escribir Si el fichero se abrió con O_APPEND el puntero del fichero se pone al final del mismo antes de cada operación de escritura devuelve el nº de bytes escritos

11 #include <unistd.h> int fsync(int fd); El sistema puede mantener los datos en memoria por varios segundos antes de que sean escritos a disco, con el fin de manejar la E/S más eficientemente fsync hace que se escriban todos los datos pendientes en el disco o dispositivo #include <unistd.h> int ftruncate(int fd, size_t length); ftruncate trunca el fichero fd al tamaño length

12 #include <unistd.h> int dup(int oldfd); int dup2(int oldfd, int newfd); Duplican un descriptor de fichero existente Se garantiza que el nuevo descriptor devuelto por dup es el más bajo libre Con dup2 el valor del nuevo descriptor lo especificamos en newfd Tras duplicar, el nuevo descriptor de fichero se refiere al mismo objeto de fichero abierto que el descriptor original Por tanto, tras duplicar, ambos tienen los mismos flags de acceso al fichero, el mismo puntero, etc.

13 Introducción Tabla de descriptores de ficheros del proceso A Objetos de Ficheros Abiertos Tabla de i-nodos Puntero lect/esc Modo de apertura

14 #include <unistd.h> #include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd); int fcntl(int fd, int cmd, long arg); Int fcntl(int fd, int cmd, strcut flock *lock) fcntl cambia las propiedades de un fichero abierto. Puede usarse para: Duplicar un descriptor de fichero existente (cmd=f_dupfd) Ver/poner el indicador cierre-en-exec (cmd=f_getfd o F_SETFD) Ver/poner flags de estado del fichero (cmd=f_getfl o F_SETFL) Ver/poner ID de proceso (cmd=f_getown or F_SETOWN) Ver/poner bloqueos de regiones (cmd=f_getlk, F_SETLK o F_SETLKW)

15 F_DUPDF => Duplica el descriptor fd, garantizando que sea el nº más bajo disponible y que sea mayor o igual que arg. Se devuelve el nuevo descriptor F_SETFD => Pone el flag de cierre-en-exec: Cuando se realiza un exec el descriptor de fichero se cierra. Por defecto se deja abierto. F_SETFL => Pone los flags de estado de fichero a arg. Son los mismos que en la función open (O_NONBLOCK, O_APPEND, O_ASYNC)

16 El bloqueo de regiones permite hacer consistentes los accesos concurrentes a los ficheros. Se usa para controlar el acceso de varios procesos a un fichero común Las operaciones de bloqueo permitidas por fcntl son: F_GETLK => Comprueba si una región de un fichero está ya bloqueada. Si es así se sobreescribe información en el puntero flock F_SETLK => Bloquea una región de un fichero F_SETLKW => Versión bloqueante de F_SETLK

17 struct flock { short l_type; /* Tipo bloqueo: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */ short l_whence; /* Cómo interpretar l_start : SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */ off_t l_start; /* Offset de comienzo del bloqueo */ off_t l_len; /* Número de bytes a bloquear, si 0 bloquea hasta final del fichero */ pid_t l_pid; /* PID del proceso que bloquea la región (solo F_GETLK) */ }; Valores de flock.l_type: F_RDLCK indica bloqueo de lectura F_WRLCK indica bloqueo de escritura F_UNLCK desbloquea

18 El éxito del bloqueo de una región depende de si ya está bloqueada por otro proceso: Petición bloq. lectura Petición bloq. escritura Región tiene Ningún bloqueo 1 o más bloqueos de lectura OK OK OK Denegada 1 bloqueo de escritura Denegada Denegada

19 El fichero /proc/locks contiene información sobre los bloqueos de regiones que tienen actualmente los ficheros abiertos Cada línea representa información de bloqueo de un fichero

20 Ejercicio práctico: Vamos crear un proceso que lee o escribe en un fichero en función de un parámetro que pasamos como argumento mediante la línea de órdenes (llector, e- escritor). Las operaciones de lectura y escritura se realizarán un número de veces N indicado también mediante la línea de órdenes. La escrituras consistirán en el incremento del valor entero almacenado en el archivo. Tanto las N lecturas como las N escrituras se deberán realizar en bloque (de forma atómica) y bajo control del usuario, que hará efectiva cada operación de lectura/escritura pulsando enter.

21 #include <sys/stat.h> #include <unistd.h> int stat(const char *pathname, struct stat *buf); int fstat(int filedes, struct stat *buf); int lstat(const char *pathname, struct stat *buf); stat devuelve una estructura de información de un fichero fstat hace lo mismo pero a partir de un fichero abierto lstat es para enlaces simbólicos (si se llama a stat para un enlance simbólico se devuelve información del fichero al que apunta el enlace, pero no del enlace mismo) La información de stat es similar a la que devolvería el comando ls -l

22 struct stat { dev_t st_dev; /* device (major and minor numbers) */ ino_t st_ino; /* inode */ mode_t st_mode; /* protection and type of file */ nlink_t st_nlink; /* number of hard links */ uid_t st_uid; /* user ID of owner */ gid_t st_gid; /* group ID of owner */ dev_t st_rdev; /* device type (if inode device) */ off_t st_size; /* total size, in bytes */ unsigned long st_blksize; /* blocksize for filesystem I/O */ unsigned long st_blocks; /* number of blocks allocated */ time_t st_atime; /* time of last access */ time_t st_mtime; /* time of last modification */ time_t st_ctime; /* time of last change */ };

23 Tipos de ficheros en UNIX: Fichero regular. El kernel no distingue si es de texto o con datos binarios Directorio. Un fichero que contiene los nombres de otros ficheros y punteros a la información en los mismos. Cualquier proceso con permiso de lectura para el directorio puede leer los contenidos del directorio, pero solo el kernel puede escribirlo Ficheros especiales: para dispositivos de carácter de bloque (típicamente discos) FIFO Enlace simbólico. Un tipo de fichero que apunta a otro fichero Socket

24 El tipo de fichero va codificado en el campo st_mode de la estructura stat Podemos determinar el tipo de fichero pasando st_mode a las macros: S_ISREG() => fichero regular S_ISDIR() => directorio S_ISCHR() => fichero especial de carácter S_ISBLK() => fichero especial de bloque S_ISFIFO() => FIFO S_ISLNK() => enlace simbólico S_ISSOCK() => socket

25 #include <unistd.h> int access(char *path, int amode); access permite comprobar que podemos acceder a un fichero amode es el modo de acceso deseado, combinación de uno o más de R_OK, W_OK, X_OK Un valor de F_OK en amode sirve para comprobar si el fichero existe

26 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int fchmod(int fildes, mode_t mode); Int chmod(char *path, mode_t mode); fchmod y chmod cambia permisos de acceso a un fichero #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int fchown(int fd, uid_t owner, gid_t group); int chown(char *path, uid_t owner, gid_t group); fchown y chown cambia el usuario y grupo asociado a un fichero #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> mode_t umask(mode_t cmask); umask sirve para establecer los permisos de creación de nuevos ficheros

27 #include <sys/types.h> #include <utime.h> int utime(char *path, struct utimebuf *times); utime permite modificar las fecha de último acceso y última modificación de un fichero struct utimebuf { time_t actime; /* fecha de acceso */ time_t modtime; /* fecha de modificación */ }

28 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int mknod(char *path, mode_t mode, int dev); Permite crear directorios, ficheros especiales y tuberías con nombre Con mknod podemos crear un directorio, si mode es S_IFDIR (en ese caso se ignora dev) Sin embargo, mknod solo puede ser invocado por un superusuario, por lo que no es muy útil para crear directorios

29 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int mkdir(char *path, mode_t mode); Con mkdir podemos crear directorios int rmdir(char *path); rmdir borra un directorio, siempre que: esté vacío no sea el directorio de trabajo de ningún proceso

30 enlaces e i-nodos: lista de i-nodos bloque de datos bloques de datos y directorios bloque de datos bloque de directorio bloque de directorio 1er bloque de datos 2º bloque de datos i-nodo i-nodo i-nodo nº de i-nodo nombre de fichero nº de i-nodo nombre de fichero

31 La mayor parte de la información de un fichero está en su i-nodo (tipo de fichero, permisos, tamaño, punteros a los bloques de datos,etc.) Dos entradas de directorio pueden apuntar al mismo i- nodo (hard links) Cada i-nodo tiene una cuenta de enlaces que cuenta el nº de entradas de directorio que apuntan al i-nodo Solo cuando la cuenta llega a cero se borra el fichero (los bloques de datos) Los enlaces simbólicos (symbolic links) son ficheros en los que los bloques de datos contienen el nombre del fichero al que apunta el enlace

32 #include <unistd.h> int link(const char *existingpath, const char *newpath); int unlink(const char *pathname); Estas funciones permiten crear y eliminar enlaces (hard links) Solo el superusuario puede crear hard links que apunten a un directorio (se podrían provocar bucles en el sistema de ficheros difíciles de tratar) unlink no necesariamente borra el fichero. Solo cuando la cuenta de enlaces llegue a cero se borra el fichero. Pero si algún proceso tiene el fichero abierto, se retrasa el borrado. Cuando el fichero se cierre se borrará automáticamente

33 Esta propiedad del unlink se usa a menudo para asegurarnos de que un fichero temporal no se deje en disco si el programa termina (o aborta)

34 El enlace simbólico se crea con: #include <unistd.h> int symlink(const char *realpath, const char *sympath); Se crea una nueva entrada de directorio sympath que apunta a realpath No es necesario que realpath exista al momento de usar symlink

35 La función open sigue un enlace simbólico, así que es necesaria una función para abrir el enlace y leer el nombre en él: #include <unistd.h> int readlink(const char *path, char *buf, int bufsize); readlink abre el enlace y lee el contenido, devolviéndolo en buf

36 #include <sys/types.h> #include <dirent.h> DIR *opendir(const char *pathname); struct dirent *readdir(dir *dp); int closedir(dir *dp); Para leer el contenido de un directorio se debe seguir los siguientes pasos: llamar a opendir pasándole el path deseado llamar repetidamente a readdir pasándole el DIR* obtenido. Cuando se han leído todas las entradas de directorio readdir devuelve NULL llamar a closedir pasándole el DIR* dirent es una estructura que contiene el nº de i-nodo y el nombre de la entrada entre otros datos

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