Операционные системы. Управление ресурсами
Мы описали работу каждого уровня
Мы описали работу каждого уровня ФС по отдельности. Их совместное функционирование будет удобнее всего разобрать на конкретном примере. Рассмотрим такую программу:
1 main() { 2 filehandler xfile; 3 xfile = open ("/ivanow/work/testfile.tst", WR_ONLY); 4 seek (xfile,1000); 5 write (xfile,"Example",7); 6 close (xfile); 7 }
Введенный нами тип данных главе filehandler предназначен для представления манипулятора файла.
Далее мы рассматриваем выполнение программы по шагам, причем, в идентификации шагов первая цифра - собственно номер шага, а вторая - номер строки исходного текста.
Шаг 1.3. Системный вызов open переключает контекст с процесса на ядро ОС. ОС передает этот вызов подсистеме логической организации, а та после соответствующих проверок - логической ФС.
Шаг 2.3. Логическая ФС начинает поиск файла по указанному пути, для чего выполняет синтаксический разбор строки имени файла. Поиск начинается с каталога "/" - корневого. Указатель на дескриптор корневого каталога у логической ФС уже имеется: дескриптор корневого каталога может находиться на фиксированном месте на диске ли же указатель на него может храниться в дескрипторе диска и считываться в память вместе с дескриптором диска. (Также логическая ФС постоянно имеет в своем распоряжении и указатель на дескриптор рабочего каталога, так как поиск может начинаться и с него. Первоначально этот указатель указывает на дескриптор корневого каталога, а затем изменяется системными вызовами setCurrentDirectory). Теперь логическая ФС обращается к базовой ФС с запросом на активизацию дескриптора корневого каталога.
Шаг 3.3. Базовая ФС передает на следующие уровни адрес дескриптора корневого каталога. На уровне СУВВ проверяется, не считан ли уже блок, содержащий этот дескриптор в буферную память. Для корневого каталога весьма велика вероятность того, что блок, содержащий его дескриптор уже есть в памяти. Если это так, то СУВВ выбирает из кеша буфер, содержащий требуемый дескриптор. Если же такого буфера в кеше нет, то СУВВ находит в кеше свободный буфер, если нет и свободного буфера, освобождает буфер, используя для выбора, например, дисциплину LRU.
Затем СУВВ формирует запрос на ввод и ставит его в очередь. На время выполнения обмена процесс, выдавший вызов, блокируется. Когда прерывание от устройства сигнализирует об окончании ввода, процесс продолжает выполнение на нижнем уровне иерархии ФС. Происходит возврат из СУВВ в верхние уровни и базовая ФС получает дескриптор корневого каталога.
Заметим, что в некоторых случаях здесь может происходить две операции обмена и две блокировки процесса. Если СУВВ выбирает в кеше буфер для освобождения, а этот буфер "грязный", то сначала содержимое этого буфера выводится на диск, а уже затем в него вводится блок.
Шаг 4.3. Базовая ФС проверяет права доступа, находит свободное место в системной таблице открытых файлов и формирует в последней дескриптор открытого файла для корневого каталога. Режим открытия в этом дескрипторе устанавливается RD_ONLY, позиция файлового курсора - 0.
Шаг 5.3. Логическая ФС далее формирует запрос на чтение первого элемента каталога. Допустим, что элемент каталога состоит из 16-байтного имени и 4-байтного адреса. Базовая ФС получает, таким образом, запрос на 20 байт. Она передает на следующий нижний уровень дескриптор открытого файла и счетчик. Система физической организации по плану размещения файла и позиции файлового курсора определяет физической адрес блока, в котором находится требуемая информация, и передает запрос СУВВ. (Это определение может потребовать обращений к СУВВ для чтения информации о размещении файла).
Шаг 6.3. СУВВ находит требуемый блок в кеше или организует его ввод с диска (на время обмена процесс блокируется) и возвращает адрес буфера. Система физической организации выделяет из буфера нужные 20 байт и они возвращаются базовой ФС и далее - логической ФС. Базовая ФС увеличивает на 20 позицию файлового курсора.
В некоторых случаях для выполнения одного запроса система физической организации может формировать два и более запросов к СУВВ - если требуемая информация переходит из блока в блок.
Шаг 7.3. Логическая ФС сравнивает поле имени в полученном элементе каталога с первой составляющей строки поиска - ivanov.
Скорее всего, результат сравнения в первый раз будет отрицательным. Если имя не совпадает, логическая ФС формирует запрос на чтение следующего элемента каталога и повторяются шаги 5, 6 и 7. Поскольку файловый курсор модифицирован, будут читаться следующие 20 байт и, скорее всего, СУВВ найдет их уже в кеше.
Шаг 8.3. Когда элемент с именем ivanov будет найден, логическая ФС дает команды базовой ФС освободить дескриптор открытого файла для корневого каталога и открыть подкаталог ivanov. Указатель на дескриптор подкаталога уже выбран логической ФС, далее открытие подкаталога происходит по тому же сценарию, что и корневого каталога.
Шаг 9.3. Когда наконец активизируется файловый дескриптор для последней составляющей пути - файла testfile.tst, режим открытия устанавливается WR_ONLY. К этому моменту все каталоги, открывавшиеся в процессе поиска, уже закрыты. Указатель на элемент системной таблицы открытых файлов помещается в контекст процесса - в таблицу файлов процесса. Индекс элемента в этой таблице возвращается процессу в качестве манипулятора открытого файла и сохраняется в переменной xFile.
Шаг 10.4. Следующий системный вызов из программы - seek. По манипулятору файла ядро выбирает дескриптор открытого файла. Выполнение системного вызова ограничивается уровнем базовой ФС. Последняя устанавливает файловый курсор в позицию 1000, определяемую параметром вызова. Если это определяется спецификациями ФС, то позиция курсора сравнивается с размером файла и ограничивается этим размером. На более низкие уровни этот вызов не передается.
Шаг 11.5. Следующий системный вызов - write. По манипулятору выбирается дескриптор открытого файла. Базовая ФС передает на следующий уровень запрос на запись. Подсистема физической структуры вычисляет номер блока, в который должна быть произведена запись. Последующие действия, выполняемые этой подсистемой, зависят от того, выделен уже файлу этот блок или нет. В первом случае формируется запрос для СУВВ на чтение этого блока, СУВВ читает блок или находит соответствующий буфер в кеше.
Во втором случае подсистема физической структуры находит свободный блок на диске. (Поиск свободного блока может потребовать обращений к СУВВ для чтения информации о распределении свободного пространства.) СУВВ выделяет свободный буфер в кеше и связывает его с выделенным блоком. Подсистема физической структуры записывает на определенное место в буфер заданные 8 байт и формирует для СУВВ запрос на вывод блока. СУВВ пока только помечает буфер, как "грязный".
Шаг 12.6. При выполнении системного вызова close базовая ФС копирует часть дескриптора открытого файла на диск (обращаясь для этого к нижним уровням ФС) и освобождает его место в таблице открытых файлов. Дальнейшие действия ФС зависят от того, придерживается она "активной" или "ленивой" дисциплины. "Активная" ФС просматривает весь план размещения файла и формирует для СУВВ запросы на поиск в буферном кеше блоков, принадлежащих файлу. Если такие блоки найдены в кеше и они помечены, как "грязные", СУВВ выводит их на диск и снимает с них пометку. Таким образом, при закрытии файла все обновления его данных записываются на диск. "Ленивая" ФС оставляет "грязные" блоки файла в кеше. Эти блоки попадут на диск, когда потребуется освободить занятые ими буферы кеша.
