Организация файлов и доступ к ним. Операции над файлами

Файл представляет собой набор однородных записей – наименьших элементов данных, которые могут быть обработаны как единое целое прикладной программой при обмене с внешним устройством. В большинстве операционных систем размер записи равен одному байту. Приложения оперируют записями, физический обмен с устройством ввода/вывода осуществляется блоками, поэтому записи объединяются в блоки. Операционные системы поддерживают несколько вариантов структуризации файлов:

1. Последовательный файл – неструктурированная последовательность байтов, обработка которых предполагает последовательное чтение записей от начала файла до конца. Способ последовательного чтения файла называется последовательным доступом (например, если в качестве носителя файла используется магнитная лента, причем текущая позиция считывания может быть возвращена к началу файла командой rewound). Способ использовался в старых операционных системах, когда дисков не было и компьютеры оснащались магнитофонами.

2. Файл прямого доступа – файл, байты которого могут быть считаны в произвольном порядке. На дисках файлы хранятся на устройствах прямого (random) доступа, поэтому содержимое файла может быть разбросано по разным блокам диска, которые можно считывать в произвольном порядке. Номер блока (относительный номер, специфицирующий блок) определяется позицией внутри файла. Для доступа к середине файла просмотр его с начала не обязателен. Данная схема обеспечивает максимальную гибкость и универсальность. С помощью базовых системных вызовов (или функций библиотеки ввода/вывода) пользователи могут структурировать файлы по своему желанию.

3.В ранних операционных системах использовались другие формы организации файла и другие способы доступа к ним. В настоящее время они применяются в больших мэйнфреймах, ориентированных на коммерческую обработку данных.

Способ 1. Хранение файла в виде последовательности записей фиксированной длины, каждая из которых имеет внутреннюю структуру. Операция чтения производится над записью, а операция записи переписывает или добавляет запись целиком. Ранее использовались записи по 80 байт (по числу позиций в перфокарте) или по 132 символа (по ширине принтера). В операционной системе СР/М файлы были последовательностями 128-символьных записей. С введением CRT -терминалов[2] идея утратила популярность.

l1

l2

l3

		l3
	l1		l2

Рис. 4.2. Файл как последовательность записей переменной длины

Способ 2. Хранение файла в виде последовательности записей переменной длины, каждая из которых содержит ключевое поле в фиксированной позиции внутри записи (рис. 4.2.). Базисной операцией является считывание записи с каким-либо значением ключа. Записи могут располагаться в файле последовательно (например, отсортированные по значению ключевого поля) или в более сложном порядке. Метод доступа по значению ключевого поля к записям последовательного файла называется индексно-последовательным.

Способ 3. В некоторых системах ускорение доступа к файлу обеспечивает конструированием индекса файла. Индекс обычно хранится на том же устройстве, что и сам файл, и состоит из списка элементов, каждый из которых содержит идентификатор записи, за которым следует указание о местоположении данной записи. Для поиска записи вначале происходит обращение к индексу, где находится указатель на нужную запись. Такие файлы называются индексированными, а метод доступа к ним – доступ с использованием индекса (рис. 4.3.).

Рис. 4.3. Организация индекса для последовательного файла

Другим способом выделения дискового пространства при помощи индексных узлов (например, Unix) является древовидная организация блоков, при которой блоки, составляющие файл, являются листьями дерева, а каждый внутренний узел содержит указатели на множество блоков файла (рис. 4.4.). Для больших файлов индекс может оказаться громоздким, в этом случае создают индекс для индексного файла (блоки промежуточного уровня или блоки косвенной адресации).

Файлы позволяют сохранять информацию и получать ее. Операционная система должна предоставить в распоряжение пользователя набор операций для работы с файлами, реализованных через системные вызовы. Чаще всего при работе с файлом пользователь выполняет не одну, а несколько операций, например:

- найти данные файла и его атрибуты по символьному имени;

- считать необходимые атрибуты файла в отведенную область оперативной памяти и проанализировать права пользователя на выполнение требуемой операции;

- выполнить операцию;

- освободить занимаемую данными файла область памяти.

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся системные вызовы, относящиеся к файлам:

- Create – создание файла без данных. Системный вызов объявляет о создании нового файла и позволяет установить некоторые его атрибуты; при этом выделяется место для файла на диске и вносится запись в каталог.

- Delete – удаление файла и освобождение занимаемого им дискового пространства.

- Open – открытие файла. Перед использованием файла процесс должен его открыть. Системный вызов разрешает системе проанализировать атрибуты файла и проверить права доступа к нему, а также считать в оперативную память список адресов блоков файла для быстрого доступа к его данным. Открытие файла является процедурой создания дескриптора или управляющего блока файла. Дескриптор (описатель) файла хранит всю информацию о нем. Иногда в языках программирования, под дескриптором понимается альтернативное имя файла или указатель на описание файла в таблице открытых файлов, используемый при последующей работе с файлом. Например, на языке Си операция открытия файла fd=open (pathname, flags, modes); возвращает дескриптор fd, который может быть задействован при выполнении операций чтения (read (fd, buffer, count);) или записи.

- Close – закрытие файла. Если работа с файлом завершена, его атрибуты и адреса блоков на диске больше не нужны, файл нужно закрыть, чтобы освободить место во внутренних таблицах файловой системы.

- Reade – чтение данных из файла. Вызывающий процесс должен указать объем считываемых данных и предоставить для них буфер в оперативной памяти.

- Write – запись данных в файл. Запись данных в файл производится в текущую позицию. Если текущая позиция находится в конце файла, его размер увеличивается, в противном случае запись осуществляется на место имеющихся данных, которые теряются.

- Append – добавление. Системный вызов представляет собой усеченную версию вызова write и может только добавлять данные к концу файла.

- Seek – поиск. Для файлов произвольного доступа нужно указывать, где располагаются данные в файле. Системный вызов устанавливает файловый указатель в определенную позицию в файле. После выполнения системного вызова данные могут читаться или записываться в этой позиции.

- Get attributes – получение атрибутов. Процессам часто для выполнения работы нужно получать атрибуты файла при помощи системного вызова.

- Set attributes – установка атрибутов. Некоторые атрибуты файла могут устанавливаться пользователем после создания файла. Системный вызов предоставляет такую возможность.

- Rename – переименование файла. Системный вызов позволяет изменить имя файла.

Существует два способа выполнения последовательности действий над файлами.

Способ 1. Для каждой операции выполняются как универсальные, так и уникальные действия. Например, последовательность операций может быть такой: open, read1, close,... open, read2, close,... open, read3, close. Данный способ более устойчив к сбоям, поскольку результаты каждой операции становятся независимыми от результатов предыдущей операции, поэтому он иногда применяется в распределенных файловых системах (например, Sun NFS).

Способ 2. Универсальные действия выполняются в начале и в конце последовательности операций, а для каждой промежуточной операции выполняются только уникальные действия. В этом случае последовательность вышеприведенных операций будет выглядеть так: open, read1,... read2,... read3, close. Данный способ использует большинство операционных систем как более экономичный и быстрый.

Дата добавления: 2014-01-03