Опубликован: 05.07.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 4580 / 871 | Оценка: 4.12 / 3.74 | Длительность: 18:59:00
Лекция 9:

Интерфейс системы UNIX

Аннотация: Описывается взаимодействие программы на языке C с операционной системой UNIX.

8. Интерфейс системы UNIX

Материал этой лекции относится к интерфейсу между с- программами и операционной системой UNIX. Так как большинство пользователей языка "C" работают на системе UNIX, эта лекция окажется полезной для большинства читателей. Даже если вы используете с- компилятор на другой машине, изучение приводимых здесь примеров должно помочь вам глубже проникнуть в методы программирования на языке "C".

Эта лекция делится на три основные части: ввод/вывод, система файлов и распределение памяти. Первые две части предполагают небольшое знакомство с внешними характеристиками системы UNIX.

В "лекции №7" мы имели дело с системным интерфейсом, который одинаков для всего многообразия операционных систем. На каждой конкретной системе функции стандартной библиотеки должны быть написаны в терминах ввода-вывода, доступных на данной машине. В следующих нескольких разделах мы опишем основную систему связанных с вводом и выводом точек входа операционной системы UNIX и проиллюстрируем, как с их помощью могут быть реализованы различные части стандартной библиотеки.

8.1. Дескрипторы файлов

В операционной системе UNIX весь ввод и вывод осуществляется посредством чтения файлов или их записи, потому что все периферийные устройства, включая даже терминал пользователя, являются файлами определенной файловой системы. Это означает, что один однородный интерфейс управляет всеми связями между программой и периферийными устройствами.

В наиболее общем случае перед чтением из файла или записью в файл необходимо сообщить системе о вашем намерении; этот процесс называется "открытием" файла. Система выясняет, имеете ли вы право поступать таким образом (существует ли этот файл? имеется ли у вас разрешение на обращение к нему?), и если все в порядке, возвращает в программу небольшое положительное целое число, называемое дескриптором файла. Всякий раз, когда этот файл используется для ввода или вывода, для идентификации файла употребляется дескриптор файла, а не его имя. (Здесь существует примерная аналогия с использованием read (5,...) и write (6,...) в фортране). Вся информация об открытом файле содержится в системе; программа пользователя обращается к файлу только через дескриптор файла.

Для удобства выполнения обычных операций ввода и вывода с помощью терминала пользователя существуют специальные соглашения. Когда интерпретатор команд (" shell ") прогоняет программу, он открывает три файла, называемые стандартным вводом, стандартным выводом и стандартным выводом ошибок, которые имеют соответственно числа 0, 1 и 2 в качестве дескрипторов этих файлов. В нормальном состоянии все они связаны с терминалом, так что если программа читает с дескриптором файла 0 и пишет с дескрипторами файлов 1 и 2, то она может осуществлять ввод и вывод с помощью терминала, не заботясь об открытии соответствующих файлов.

Пользователь программы может перенаправлять ввод и вывод на файлы, используя операции командного интерпретатора shell " < " и " > ":

prog <infile>outfile

В этом случае интерпретатор команд shell изменит присваивание по умолчанию дескрипторов файлов 0 и 1 с терминала на указанные файлы. Нормально дескриптор файла 2 остается связанным с терминалом, так что сообщения об ошибках могут поступать туда. Подобные замечания справедливы и тогда, когда ввод и вывод связан с каналом. Следует отметить, что во всех случаях прикрепления файлов изменяются интерпретатором shell, а не программой. Сама программа, пока она использует файл 0 для ввода и файлы 1 и 2 для вывода, не знает ни откуда приходит ее ввод, ни куда поступает ее выдача.

8.2. Низкоуровневый ввод/вывод - операторы READ и WRITE

Самый низкий уровень ввода/вывода в системе UNIX не предусматривает ни какой-либо буферизации, ни какого-либо другого сервиса; он по существу является непосредственным входом в операционную систему. Весь ввод и вывод осуществляется двумя функциями: read и write. Первым аргументом обеих функций является дескриптор файла. Вторым аргументом является буфер в вашей программе, откуда или куда должны поступать данные. Третий аргумент - это число подлежащих пересылке байтов. Обращения к этим функциям имеют вид:

n_read=read(fd,buf,n); n_written=write(fd,buf,n);

При каждом обращении возвращается счетчик байтов, указывающий фактическое число переданных байтов. При чтении возвращенное число байтов может оказаться меньше, чем запрошенное число. Возвращенное нулевое число байтов означает конец файла, а "-1" указывает на наличие какой-либо ошибки. При записи возвращенное значение равно числу фактически записанных байтов; несовпадение этого числа с числом байтов, которое предполагалось записать, обычно свидетельствует об ошибке.

Количество байтов, подлежащих чтению или записи, может быть совершенно произвольным. Двумя самыми распространенными величинами являются "1", которая означает передачу одного символа за обращение (т.е. без использования буфера), и "512", которая соответствует физическому размеру блока на многих периферийных устройствах. Этот последний размер будет наиболее эффективным, но даже ввод или вывод по одному символу за обращение не будет необыкновенно дорогим.

Объединив все эти факты, мы написали простую программу для копирования ввода на вывод, эквивалентную программе копировки файлов, написанной в "лекции №1" . На системе UNIX эта программа будет копировать что угодно куда угодно, потому что ввод и вывод могут быть перенаправлены на любой файл или устройство.

#define bufsize 512 /*best size for pdp-11 unix*/ 
main() /*copy input to output*/ 
{ 
char buf[bufsize]; 
int n; 
while((n=read(0,buf,bufsize))>0) 
write(1,buf,n); 
}

Если размер файла не будет кратен bufsize, то при некотором обращении к read будет возвращено меньшее число байтов, которые затем записываются с помощью write ; при следующем после этого обращении к read будет возвращен нуль.

Поучительно разобраться, как можно использовать функции read и write для построения процедур более высокого уровня, таких как getchar, putchar и т.д. Вот, например, вариант функции getchar, осуществляющий ввод без использования буфера.

#define cmask 0377 /*for making char's > 0*/ 
getchar() /*unbuffered single character input*/ 
{ 
char c; 
return((read(0,&c,1)>0 ? c & cmask : EOF); 
}

Переменная "C" должна быть описана как char, потому что функция read принимает указатель на символы. Возвращаемый символ должен быть маскирован числом 0377 для гарантии его положительности; в противном случае знаковый разряд может сделать его значение отрицательным. ( константа 0377 подходит для эвм PDP-11, но не обязательно для других машин).

Второй вариант функции getchar осуществляет ввод большими порциями, а выдает символы по одному за обращение.

#define cmask 0377 /*for making char's>0*/ 
#define bufsize 512 
getchar() /*buffered version*/ 
{ 
static char buf[bufsize]; 
static char *bufp = buf; 
static int n = 0; 
if (n==0) { /*buffer is empty*/ 
n=read(0,buf,bufsize); 
bufp = buf; 
} 
return((--n>=0) ? *bufp++ & cmask : EOF); 
}
Марина Дайнеко
Марина Дайнеко
Россия, Moscow, Nope, 2008
Сергей Козлов
Сергей Козлов
Россия, Тюмень