ОГЛАВЛЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. КОМАНДНЫЙ ИНТЕРПРЕТАТОР
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

UNIX – это ядро операционной системы разделения времени, то есть программа, которая распоряжается ресурсами вычислительной машины и предоставляет их пользователям. Она дает пользователям возможность запускать свои программы, управляет периферийными устройствами и обеспечивает работу файловой системы. UNIX является многозадачной многопользовательской ОС.

Работу ОС UNIX можно представить в виде функционирования множества взаимосвязанных процессов. При загрузке системы сначала запускается ядро, которое в свою очередь запускает основную задачу, порождающую все последующие процессы – процесс init (процесс № 1).

Взаимодействие пользователя с системой UNIX происходит в интерактивном режиме посредством командного языка. Оболочка операционной системы – shell – интерпретирует вводимые команды, запускает соответствующие программы (процессы), формирует и выводит ответные сообщения.

Важной составной частью UNIX является файловая система. Она имеет иерархическую структуру, образующую дерево каталогов и файлов. Корневой каталог обозначается символом "/", путь по дереву каталогов состоит из имен каталогов, разделенных символом "/", например:

В каждый момент времени с любым пользователем связан текущий каталог, то есть местоположение пользователя в иерархической файловой системе.

Каждый файл ОС UNIX может быть однозначно определен некоторой структурой данных, называемой описателем файла (дескриптором). Он содержит всю информацию о файле: тип файла, режим доступа, идентификатор владельца, размер, адрес файла, даты последнего доступа и последней модификации, дату создания и пр.

Обращение к файлу происходит по имени. Локальное имя файла представляет собой набор символов, в версии System V имеющий длину от 1 до 14. В системах, поддерживающих файловую систему FFS имена файлов могут содержать до 255 символов. В качестве символов следует использовать цифры, буквы латинского алфавита и символ ‘_’. Локальное имя файла хранится в соответствующем каталоге. Путь к файлу от корневого каталога называется полным именем файла. Если обращение к файлу начинается с символа "/", то считается, что указано полное имя файла и его поиск начинается с корневого каталога, в любом другом случае поиск файла начинается с текущего каталога.

У любого файла может быть несколько имен. Фактически, имя файла является ссылкой на файл, специфицированный номером описателя.

Работа пользователя в системе начинается с того, что активизируется сервер терминального доступа getty, который запускает программу login, запрашивающую у пользователя имя и пароль.

Далее происходит проверка аутентичности пользователя в соответствии с той информацией, которая хранится в файле /etc/passwd. В этом файле хранятся записи, содержащие

• регистрационное имя пользователя;
• зашифрованный пароль;
• идентификатор пользователя;
• идентификатор группы;
• информацию о минимальном сроке действия пароля;
• общая информация о пользователе
• начальный каталог пользователя
• регистрационный shell пользователя

Если пользователь зарегистрирован в системе и ввел правильный пароль, login запускает программу, указанную в /etc/passwd - регистрационный shell пользователя.

Пользователь системы - это объект, обладающий определенными правами, определяющими возможность запуска программ на выполнение, а также владение файлами. Единственный пользователь системы, обладающий неограниченными правами - это суперпользователь или администратор системы.

Система идентифицирует пользователей по т.н. идентификатору пользователя (UID - User Identifier). Каждый пользователь является членом одной или нескольких групп - списка пользователей, имеющих сходные задачи. Каждая группа имеет свой уникальный идентификатор группы (GID - Group Identifier) Принадлежность группе определяет совокупность прав, которыми обладают члены данной группы.

Права пользователя UNIX - это прежде всего права на работу с файлами. Файлы имеют двух владельцев - пользователя (user owner) и группу (group owner).

Соответственно атрибуты защиты файлов определяют права пользователя-владельца файла (u), права члена группы-владельца (g) и права всех остальных (o).

В ОС UNIX существует три стандартных потока: поток ввода, поток вывода и поток стандартного протокола (поток ошибок).

Перенаправление потоков позволяет изменить стандартный ввод (вывод):

Примеры:

cat > filename - перенаправление вывода программы cat в файл filename (если этот файл существует, то его прежнее содержимое будет утеряно);

cat >> filename - добавить содержимое вывода программы cat к содержимому файла filename;

cat < filename - сформировать стандартный ввод программы cat из содержимого файла filename.

Стандартные потоки - поток ввода, поток вывода и поток ошибок (поток протокола) имеют фиксированную нумерацию - 0, 1 и 2 соответственно. Эти номера (номера дескрипторов потоков) можно использовать в явном виде. Например, запись

эквивалентна записи

Для того, чтобы отличить имя потока от имени файла, перед номером потока ставится символ ‘&’:

Здесь происходит перенаправление стандартного потока вывода в файл file (>file). А кроме того, сообщения об ошибках также будут перенаправлены в файл file: запись 2>&1 означает перенаправление потока ошибок на стандартный поток вывода, который, в свою очередь, был перенаправлен в файл.

Замечание: анализ команды осуществляется интерпретатором справа налево: сначала происходи слияние потоков (2>&1), а затем перенаправляется стандартный поток вывода (1) в файл file.

В связи с этим бывает полезно использование псевдоустройства /dev/null, удаляющего все введенные в него символы. Это используется тогда, когда необходимо полностью игнорировать (подавить) выходные потоки.

Канал - это программное средство, связывающее процессы ОС UNIX буфером ввода/вывода. Запуск процессов в виде

означает, что стандартный вывод процесса_1 будет замкнут на стандартный ввод процесса_2, стандартный вывод процесса_2 будет замкнут на стандартный ввод процесса_3 и т.д. При этом сначала создается канал, а потом на выполнение одновременно запускаются все процессы, и общее время их выполнения определяется более медленным процессом.

Пример:      ls | wc -l

Помимо запуска на выполнение стандартных команд UNIX и исполняемых файлов, интерпретатор включает собственный язык, который по своим возможностям приближается к высокоуровневым языкам программирования. Этот язык позволяет создавать программы (shell-файлы, скрипты), которые могут включать операторы языка и команды UNIX. Такие файлы не требуют компиляции и выполняются в режиме интерпретации, но они должны обладать правом на исполнение (устанавливается с помощью команды chmod).

Общение пользователя с командным интерпретатором осуществляется вводом команд с клавиатуры после появления промпта (приглашения), обычно, символа '$'. Введенную последовательность символов интерпретатор будет рассматривать либо как имя внутренней команды, либо как имя исполняемого файла.

Процедуре (скрипту) shell могут быть переданы аргументы при запуске. Каждому из первых девяти аргументов ставится в соответствие позиционный параметр от $1 до $9 ($0 - имя самой процедуры), и по этим именам к ним можно обращаться из текста процедуры.

Прежде, чем начать рассмотрение некоторых операторов shell, следует обратить внимание на использование в командах некоторых символов.

\      знак отмены специального символа перевода строки, следующего непосредственно вслед за этим знаком.

‘’      одинарные кавычки: используются для обрамления текста: передаваемого как единый аргумент команды.

“”      двойные кавычки, используются для обрамления текста, содержащего имена переменных для подстановки ($имя) или стандартные команды, заключенные в символы тупого ударения (`команда`).

``      символы тупого ударения, служат для выполнения команды, заключенной между ними.

Кроме того, для удобства работы с файлами почти все командные интерпретаторы интерпретируют символы '?' и '*', используя их как шаблоны имен файлов (т.н. метасимволы):

? – один любой символ;

* – произвольное количество любых символов.

Например:      *.c – задает все файлы с расширением "c";

Рассмотрим в качестве примера использование утилиты echo, которая только и умеет, что выводить в стандартный выходной поток переданные ей аргументы. Вывод на экран содержимого текущего каталога можно осуществить так:

А если ввести команду

то будут выведены все файлы с расширением из одного символа.

Переменные языка shell

Язык shell позволяет работать с переменными (без предварительного объявления). Имена переменных начинаются с буквы и могут включать буквы и цифры. Обращение к переменным начинается со знака '$'.

Пример. Переход к начальному каталогу пользователя:

Оператор присваивания. Присвоение значений переменным осуществляется с помощью оператора ‘=’ без пробелов.

Вычисление выражений осуществляется с помощью команды expr и арифметических и логических операторов:

Результат операций сравнения - вывод 1 (true) или 0 (false). Все операторы и имена переменных должны отделяться друг от друга пробелами.

Пример.

Будет выведено:

Условные выражения. Ветвление вычислительного процесса осуществляется с помощью оператора if:

      if список_команд1

      then список_команд2

      [else список_команд3]

      fi

Список_команд - это одна или несколько команд (для задания пустого списка используется двоеточие - ‘:’). Список_команд1 предает оператору if код возврата последней команды из списка. Если он равен 0, то выполняются команды из списка_команд2, таким образом нулевой код возврата эквивалентен значению “истина”. В противном случае выполняются команды из списка_команд3, если он существует.

Проверка условия может осуществляется с помощью команды test. Аргументами этой команды могут быть имена файлов, числовые и нечисловые строки. Она используется в следующих режимах:

Проверка файлов:            test -ключ имя_файла

Ключи:      -r      файл существует и доступен для чтения;

            -w      файл существует и доступен для записи;

            -x      файл существует и доступен для исполнения;

            -f      файл существует и имеет тип ‘-‘, т.е. это обычный файл;

            -s      файл существует, имеет тип ‘-‘ и не пуст;

            -d      файл существует и имеет тип ‘d‘, т.е. это каталог.

Сравнение чисел:            test число1 -ключ число2

Ключи:      -eq      равно;

            -ne      не равно;

            -lt      меньше;

            -le      меньше или равно;

            -gt      больше

            -ge      больше или равно.

Построение циклов. В языке shell есть три типа циклов: while, until и for.

В условии учитывается код возврата последней выполненной команды из списка_команд1, при этом 0 интерпретируется как “истина”.

цикл until:

Проверка условия выполняется перед выполнением цикла. Учитывается код возврата последней выполненной команды из списка_команд1, при этом цикл выполняется до тех пор, пока код возврата не примет значение “истина”.

Переменной присваивается значение очередного слова из списка_значений и для этого значения выполняется список_команд. Количество итераций равно количеству цепочек символов в списке_значений, разделенных пробелами. Если слово in и список_значений опущены как необязательные, то переменной поочередно присваиваются значения параметров, переданных при запуске данной программы. В качестве списка можно использовать шаблоны имен файлов, тогда интерпретатор превращает этот шаблон в требуемый синтаксисом список имен файлов, удовлетворяющий шаблону.

Пример. Печать списка имен текстовых файлов из текущего каталога.

• man – получение справочной информации. Это – самая главная утилита начинающего пользователя. Электронный справочник содержит всю необходимую информацию об утилитах, системных командах и функциям языка Си. Запуск справочника:

• date – получение даты и времени.
• who – получение списка пользователей, работающих в системе в данный момент.

Пример:

• pwd – печать имени текущего каталога. Например:
• ls – вывод на экран содержимого каталога:

Если имя каталога не указано, выводится содержимое текущего каталога. Ключи определяют формат выдачи, например:

-l – вывод полной информации о каждом файле;

-a – вывод полного списка файлов, включая "." и "..";

-t – сортировка списка по времени создания;

-C – вывод списка в несколько колонок по алфавиту и т.п.

Пример:      $ ls -l

• mkdir – создание нового каталога:

• rmdir – удаление каталога:

• rm – удаление файлов (ссылок на файл):

• -i – вводит необходимость подтверждения для каждого удаляемого файла;
• -f – отменяет необходимость подтверждения для любого удаляемого файла;
• -r – задает режим рекурсивного удаления всех файлов и подкаталогов данного каталога, а затем и самого каталога.
• chmod – изменение атрибутов защиты файла:

Атрибуты файла могут быть заданы разными способами:

1. буквенной кодировкой. Атрибуты защиты обозначаются так:

• r – доступ по чтению;
• w – доступ по записи;
• x – доступ по исполнению.

Категории пользователей задаются следующим образом:

• u – атрибуты для владельца файла;
• g – атрибуты для группы владельца файла;
• - атрибуты для прочих пользователей;
• a – атрибуты для всех категорий пользователей.

Производимая операция кодируется с помощью таких символов:

• = – установить значения всех атрибутов для данной категории пользователей;
• + – добавить атрибут для данной категории пользователей;
• исключить атрибут для данной категории пользователей.

1. в виде восьмеричного числа. Числовые значения атрибутов защиты кодируются трехразрядным восьмеричным числом, где существование соответствующего атрибута соответствует наличию единицы в двоичном эквиваленте восьмеричной цифры этого числа, а отсутствие атрибута – нулю. Например:

• символьное представление       rwx r-x r--
• двоичное представление            111 101 100
• восьмеричное представление        7 5 4

• cat – слияние и вывод файлов на стандартное устройство вывода:

$ cat [-ключи] [входной_файл1[входной_файл2...]]

Примеры:

1. $ cat > file1      – в файл file1 помещается текст, набираемый на клавиатуре. Если до этого файл file1 не существовал, он будет создан; если существовал, его первоначальное содержимое будет утрачено. Окончание ввода текста происходит при нажатии комбинации клавиш Ctrl+D.
2. $ cat file1 > file2      – содержимое файла file1 копируется в файл file2. Файл file1 при этом остается без изменений.
3. $ cat file1 file2 > result      – содержимое file2 будет добавлено к содержимому file1 и помещено в файл result.
4. $ cat file1 >> file2      – содержимое файла file1 добавляется в конец файла file2.

• cp – копирование файлов:

$ cp вх_файл_1 [вх_файл_2 [...вх_файл_n]] вых_файл

Эта команда имеет два режима использования:

• если выходной файл есть обычный файл, то входной файл может быть только один; его содержимое копируется в выходной файл. Если выходной файл существовал, то его старое содержимое утрачивается, а атрибуты защиты остаются; если выходной файл не существовал, то он будет создан и унаследует атрибуты входного файла.
• если выходной файл есть каталог, то в него скопируются все указанные входные файлы, но каталог естественно должен быть создан заранее.

$ cp f1.txt f2.txt ../usr/petr

$ ls ../usr/petr

f1.txt

f2.txt

• mv – пересылка файлов:

$ mv вх_файл_1 [вх_файл_2 [...вх_файл_n]] вых_файл

• ln – создание новых ссылок на файл:

$ ln вх_файл_1 [вх_файл_2 [...вх_файл_n]] вых_файл

Эта команда имеет два режима использования:

• если выходной файл есть обычный файл, то входной файл может быть только один; в этом случае на него создается ссылка с именем вых_файл и к нему можно обращаться и по имени вх_файл_1, и по имени вых_файл. Количество ссылок на файл в описателе увеличивается на 1.
• если выходной файл является каталогом, то в нем создаются элементы, включающие имена всех перечисленных входных файлов и ссылки на них.

• grep – поиск шаблона (подстроки) в файлах:

$ grep [-ключи] подстрока список_файлов

• -c – вывод имен всех файлов с указанием количества строк, содержащих шаблон;
• -i – игнорирование регистра (различия строчных и заглавных латинских букв);
• -n – вывод перед строкой ее относительного номера в файле;
• -v – вывод строк, не содержащих шаблона (инверсия вывода);
• -l – вывод только имен файлов, содержащих шаблон.
• wc – подсчет количества строк, слов и символов в файлах:

$ wc [-lwc] [список_файлов]

• sort – сортировка файлов:

$ sort [-ключи] список_файлов

• -r – обратный порядок сортировки;
• -f – не учитывать различие строчных и прописных латинских букв
• -n – числовой порядок сортировки и т.д.

• cmp – вывод места первого расхождения:

• diff – вывод всех расхождений в файлах:

• find - поиск файлов в поддереве каталогов:

Примеры:                  $find / -type f -links +1 -print

• Vi. Текстовый редактор

• & – запуск процесса (программы) как фонового (параллельного):

имя_процесса [-ключи] [параметры] &

• nohup – корректный запуск процесса как фонового:

nohup имя_процесса [-ключи] [параметры]

• ps – получить список всех процессов:

ps [-ключи]

• -e – вывод информации обо всех процессах в системе;
• -a – вывод информации о процессах, связанных с данным терминалом;
• -l – вывод информации в длинном формате.

• kill – послать сигнал процессу:

kill -номер_сигнала идентификатор_процесса

Перед началом выполнения работы необходимо получить у преподавателя имя (идентификатор пользователя) и пароль.

При запуске система запрашивает login (идентификатор пользователя) и password (пароль). При успешном вводе появляется приглашение (обычно – $); в противном случае необходимо еще раз повторить ввод. (Пароль при вводе на экране не отображается).

Лабораторная работа посвящена изучению интерпретатора команд UNIX. Список команд, обязательных для изучения, приведен в п.2. Обратите особое внимание на перенаправление потоков ввода/вывода и программные каналы.

1. Посчитать количество пользователей в системе.
2. Отсортировать список файлов текущей директории в обратном порядке и записать его в файл.
3. Посчитать количество файлов текущего каталога, содержащих подстроку "include".
4. Посчитать, сколько раз пользователь X вошел в систему.
5. Отсортировать список текстовых файлов текущей директории в алфавитном порядке и записать его в файл.
6. Удалить из текущего каталога все файлы, содержащие подстроку "text".
7. Объединить все файлы с расширением ".txt" в один файл.
8. Посчитать, сколько процессов запущено с данного терминала.
9. Вывести на экран отсортированный в алфавитном порядке список файлов, содержащих подстроку "include".
10. Написать скрипт, удаляющий все файлы содержащие кодовую сигнатуру из указанного каталога.

Лабораторная работа посвящена изучению принципов организации файловой системы UNIX и приобретению навыков написания программ работы с файлами.

Файловая система – это ключевое звено, обеспечившее успешное применение UNIX. Основной особенностью файловой системы UNIX является то, что все, с чем работает ОС UNIX, она воспринимает в виде файла. Таким образом, файл является единой универсальной структурой данных, в рамках которой реализуется любая операция ввода-вывода.

Файловая система ОС UNIX имеет иерархическую структуру, образующую дерево каталогов и файлов. Корневой каталог обозначается символом "/", путь по дереву каталогов состоит из имен каталогов, разделенных символом "/", например:

В каждый момент времени с любым пользователем связан текущий каталог, то есть местоположение пользователя в иерархической файловой системе.

Каждый файл ОС UNIX может быть однозначно специфицирован некоторой структурой данных, называемой описателем файла или дескриптором. Эта структура описана в файле <fcntl.h>, она занимает 64 байта и содержит следующую информацию:

Поле di_mode состоит из 16-ти разрядов:

Рис.1. Режим доступа и тип файла

Поле di_addr используется для хранения указателей местоположения блоков диска, содержащих информацию, помещенную в данный файл. В этом поле может храниться 13 указателей, из которых первые 10 относятся к первым десяти блокам файла. Если файл занимает больше места, то в 11-й указатель заносится информация о местоположении первичного блока косвенности, состоящего из ста двадцати восьми 32-битных указателей на блоки файла; 12-й указатель указывает на вторичный блок косвенности, содержащий 128 указателей местоположения первичных блоков косвенности, а 13-й указатель, соответственно, указывает на местоположение третичного блока косвенности, включающего 128 указателей вторичного блока косвенности. Таким образом, используя эту схему адресации, можно обращаться к файлу, состоящему не более чем из (128x128x128+128x128+128+10) блоков. Все эти рассуждения справедливы для блоков размером 512 (128x4) байт.

Обращение к файлу происходит по имени. Локальное имя файла – это набор произвольных символов. Если в среди них встречается точка, то за ней следует так называемое расширение, которое обычно служит для определения типа файла. Например, файлы, хранящие текст, чаще всего имеют расширение "txt" или "doc" (title.doc, book.txt и т.д.), файлы с текстом программ на языке С – расширение "c" (progr.c, code.c и т.п.), исполняемые файлы – расширение "out" или вовсе без расширений. Расширений может быть несколько (например, имя "progr.c.b" может означать старую версию (bak-файл) программы на языке С).

Локальное имя файла хранится в соответствующем каталоге. Путь к файлу от корневого каталога называется полным именем файла. Если обращение к файлу начинается с символа "/", то его поиск начинается с корневого каталога, в любом другом случае поиск файла начинается с текущего каталога. У любого файла может быть несколько имен. Фактически, имя файла является ссылкой на файл, специфицированный номером описателя. Таким образом, располагая имена одного и того же файла в разных каталогах можно в каждом каталоге иметь возможность обращаться к файлу напрямую, а не с помощью указания полного пути.

Всякий файл ОС UNIX в соответствии с его типом может быть отнесен к одной из следующих групп: обычные файлы, каталоги, специальные файлы и каналы.

Обычный файл представляет собой последовательность байтов. Никаких ограничений на файл системой не накладывается, и никакого смысла не приписывается его содержимому: смысл байтов зависит исключительно от программ, обрабатывающих файл.

Каталог – это файл особого типа, отличающийся от обычного файла наличием структуры и ограничением по записи: осуществить запись в каталог может только ядро ОС UNIX. Каталог устанавливает соответствие между файлами (точнее, номерами описателей) и их локальными именами. Пример каталога для файловой системы ОС UNIX System V – Рис.2 (2 байта – номера описателей, 14 байтов – локальные имена).

Рис.2. Пример каталога UNIX System V

Номер описателя, соответствующий имени ".", – это ссылка на файл, в котором содержится информация о самом каталоге. Номер описателя, соответствующий имени "..", – это ссылка на родительский каталог текущего каталога. Номер описателя равный 0 означает, что ссылка на соответствующий файл удалена из каталога и эта запись каталога считается свободной.

Совокупность всех каталогов специфицирует структуру файловой системы в целом.

Специальный файл – это файл, поставленный в соответствие некоторому внешнему устройству и имеющий специальную структуру. Его нельзя использовать для хранения данных как обычный файл или каталог, но над ним можно производить те же операции, что и над любым другим. При этом ввод/вывод информации в этот файл будет соответствовать вводу с внешнего устройства или выводу на него.

Канал – это программное средство, связывающее процессы ОС UNIX буфером ввода/вывода (см. лаб. работу №1).

ОС UNIX поддерживает операции ввода-вывода с помощью набора взаимосвязанных таблиц. Основной из них считается таблица описателей файлов (FDT). Она представляет собой хранящуюся в оперативной памяти ЭВМ структуру данных, элементами которой являются копии описателей файлов, к которым была осуществлена попытка доступа. Каждому элементу таблицы описателей файлов обязательно соответствует один или несколько элементов системной таблицы файлов (SFT). Элемент таблицы файлов содержит информацию о режиме открытия файла и положении указателя чтения-записи. Таким образом, каждый файл может быть одновременно открыт несколькими независимыми процессами, и при каждом открытии файла количество элементов таблицы файлов будет увеличиваться на единицу.

Если процессы связаны родственными отношениями, то процесс-потомок, порожденный системным вызовом fork, унаследует все открытые файлы процесса-предка. Это осуществляется с помощью таблицы открытых файлов процесса, которая создается сразу после порождения процесса, содержит информацию только о файлах, открытых данным процессом и передается процессу-потомку в момент его порождения.

Для примера рассмотрим следующую последовательность системных вывозов:

На Рис. 3 показана взаимосвязь между таблицей описателей файлов, таблицей файлов и таблицей открытых файлов процесса. Каждый вызов функции open возвращает процессу дескриптор файла, а соответствующая запись в таблице открытых файлов процесса указывает на уникальную запись в таблице файлов ядра, даже если один и тот же файл ("/etc/passwd") открывается дважды. Записи в таблице файлов для всех экземпляров одного и того же открытого файла указывают на одну запись в таблице описателей файлов, хранящихся в памяти. Процесс может обращаться к файлу "/etc/passwd" с чтением или записью, но только через дескрипторы файла, имеющие значения 3 и 5 (Рис.3). Ядро запоминает разрешение на чтение или запись в файл в строке таблицы файлов, выделенной во время выполнения функции open.

Рис.3. Структуры данных после открытия файлов одним процессом

Предположим, что другой процесс выполняет следующий набор операторов:

На Рис. 4 показана взаимосвязь между соответствующими структурами данных, когда оба процесса (и больше никто) имеют открытые файлы. Снова результатом каждого вызова функции open является выделение уникальной точки входа в таблице открытых файлов процесса и в таблице файлов ядра, и ядро хранит не более одной записи на каждый файл в таблице описателей файлов, размещенных в памяти.

Рис. 4. Структуры данных после того, как два независимых процесса открыли файлы

Запись в таблице открытых файлов процесса по умолчанию хранит смещение в файле до адреса следующей операции ввода/вывода и указывает непосредственно на точку входа в таблице описателей для файла, устраняя необходимость в отдельной таблице файлов ядра.

Вышеприведенные примеры показывают взаимосвязь между записями таблицы открытых файлов процесса и записями в таблице файлов ядра типа “один к одному”. Однако, таблица файлов, реализованная как отдельная структура, позволяет совместно использовать один и тот же указатель смещения нескольким пользовательским дескрипторам файла. В системных вызовах dup (см. раздел "Программирование операций ввода-вывода") и fork (лабораторная работа №3) при работе со структурами данных допускается такое совместное использование.

Первые три пользовательских дескриптора (0, 1 и 2) именуются дескрипторами файлов стандартного ввода, стандартного вывода и стандартного потока ошибок. Процессы в системе UNIX по договоренности используют дескриптор файла стандартного ввода при чтении вводимой информации, дескриптор файла стандартного вывода при записи выводимой информации и дескриптор стандартного файла ошибок для записи сообщений об ошибках. В операционной системе нет никакого указания на то, что эти дескрипторы файлов являются специальными. Группа пользователей может условиться о том, что файловые дескрипторы, имеющие значения 4, 6 и 11, являются специальными, но более естественно начинать отсчет с 0 (как в языке Си). Принятие соглашения сразу всеми пользовательскими программами облегчит связь между ними при использовании каналов.

Обычно операторский терминал служит и в качестве стандартного ввода, и в качестве стандартного вывода, и в качестве стандартного устройства вывода сообщений об ошибках.

Вызов fork порождает процесс, являющийся потомком по отношению к тому процессу, из которого осуществлен вызов. Процесс-потомок является точной копией процесса-предка за исключением номера самого процесса и значения, возвращаемого вызовом fork. При этом потомок получает к ранее открытым файлам доступ того же типа, что и предок (говорят, что процесс наследует открытые файлы). Родственные процессы общаются с общим файлом через один указатель чтения/записи, и если один из процессов прочитал или записал данные в файл, то значение указателя чтения/записи изменится для всех родственных процессов, имеющих доступ к этому файлу. Естественно, это не относится к файлам, которые были открыты родственными процессами после вызова fork: в этом случае каждый процесс обращается к файлу через собственный указатель.

Для примера рассмотрим следующую последовательность системных вызовов и состояние файловых таблиц после их выполнения (Рис.5):

Первый вызов open выполняется до вызова fork, он создает записи, относящиеся к файлу "/etc/passwd", во всех файловых таблицах. При выполнении вызова fork процесс-потомок получает копию таблицы открытых файлов процесса, а в записях таблиц файлов и описателей файлов счетчики ссылок на файл "/etc/passwd" увеличиваются на единицу и становятся равным 2.

Рис. 5. Структуры данных после того, как два родственных процесса открыли файлы

Дополнительная запись в таблицу файлов не добавляется, оба процесса имеют доступ к файлу через один указатель чтения/записи. Второй вызов open выполняется после вызова fork, то есть тогда, когда существуют уже два процесса – предок и потомок. Каждый из них выполняет открытие файла независимо от другого, поэтому новые записи добавляются во все таблицы (запись в таблице описателей одна на файл, но счетчик ссылок на файл равен числу открывших файл процессов).

Закрытие файла уменьшает число ссылок на файл, и только когда оно становится равным 0, происходит удаление соответствующих записей из таблиц.

Системные вызовы представляют собой единственное средство, реализующее интерфейс между пользовательскими программами и ядром ОС UNIX. Всякая операция ввода/вывода для пользователя – это операция ввода/вывода в файл. Рассмотрим наиболее часто используемые из системных вызовов.

OPEN. Открывает файл для получения доступа к нему:

int open(char *pathname, int flags, mode_t mode)

Возвращает положительное целое число, так называемый пользовательский дескриптор файла fd, который в дальнейшем используется для обращения к этому файлу. pathname - указатель на строку символов, содержащую полное имя файла. mode - режим открытия файла (по чтению, записи и др.) Если нет возможности открыть файл, open возвращает -1. flags определяет режим открытия файла (O_CREAT, O_TRUNC, O_RDONLY, O_WRONLY и т.д.), mode задает права доступа к создаваемому файлу.

CLOSE. Закрывает файл, уничтожает связь между пользовательским дескриптором файла и самим файлом:

void close(int fd)

Параметр fd – дескриптор файла, возвращенный вызовом open. Функция close уничтожает связь между пользовательским дескриптором файла и самим файлом и уменьшает на 1 значения счетчиков в относящихся к нему записях файловых таблиц. Если значение счетчика становится равным 0, то данная запись считается свободной. Если равно 0 значение счетчика в записи системной таблицы описателей файлов, файл закрывается.

STAT и FSTAT. Эти системные вызовы позволяют получить информацию о файле, не осуществляя явного доступа к нему:

int stat(char *path, struct stat *statbuf)

int fstat(int fd, struct stat *statbuf)

Вызов stat предоставляет информацию по имени файла, а fstat – по номеру дескриптора открытого файла. Информация помещается в структуру stat, описанную ниже:

Для детализации информации в поле st_mode используются следующие макросы:

Пример использования вызова stat:

LSEEK. Перемещает указатель файла с пользовательским дескриптором fd на offset байт:

long lseek(int fd, long offset, int fromwhere)

Параметр fromwhere определяет положение указателя файла перед началом перемещения:

SEEK_SET – от начала файла;

SEEK_CUR – от текущей позиции указателя;

SEEK_END – от конца файла.

READ. Осуществляет чтение из открытого файла указанного количества символов в буфер:

int read(int fd, void *buffer, unsigned count)

Возвращает количество реально прочитанных байт num или отрицательный код ошибки. При этом указатель чтения/записи перемещается на num байт.

WRITE. Осуществляет запись в открытый файл указанного количества символов из буфера:

int write(int fd, void *buffer, unsigned count)

Возвращает количество реально записанных num байт или отрицательный код ошибки. При этом указатель чтения/записи перемещается на num байт.

DUP и DUP2. Эти системные вызовы дублируют пользовательский дескриптор файла:

int dup(int handle);

int dup2(int oldhandle, int newhandle);

fd1 = dup(handle);

fd2 = dup2(oldhandle, newhandle);

Копия пользовательского дескриптора позволяет осуществлять к файлу доступ того же типа и с использованием того же указателя чтения/записи, что и с помощью оригинального дескриптора.

Вызов dup возвращает первый свободный номер дескриптора fd1 или -1, если указанный дескриптор handle не соответствует открытому файлу или нет свободных номеров.

Вызов dup2 возвращает дескриптор newhandle как копию дескриптора oldhandle или -1, если указанный дескриптор oldhandle не соответствует открытому файлу. Если newhandle до этого указывал на открытый файл, этот файл в результате вызова dup2 будет закрыт.

Пример 1. Запись в файл и чтение из файла. Обратите внимание на обработку параметров командной строки.

Пример 2. Дублирование дескриптора файла.

На выходе получается исполняемый файл "a.out" или список сообщений об ошибках. Расширение указывать обязательно. Если запустить компилятор с опицией -o, можно указать произвольное имя исполняемого файла:

Для сдачи лабораторной работы требуется работающая программа, распечатка программы с комментариями и аннотацией (фамилия, номер группы, номер варианта и задание), а также знание теоретического материала.

1. Написать программу, считывающую из входного файла байты с N1 по N2 и с N3 по N4 и записывающую эти байты в выходной файл.
2. Написать программу, меняющую в файле местами группы байт с N1 по N2 и с N2 по N3.
3. Написать программу, переписывающую из входного файла каждый n-й байт в выходной файл.
4. Написать программу, переписывающую все байты входного файла в выходной файл в обратном порядке.
5. Написать программу, осуществляющую поиск заданного шаблона (последовательности символов) в файле. При обнаружении шаблона заменить его на последовательность символов с кодом 0 такой же длины, что и длина шаблона.
6. Написать программу, осуществляющую поиск в файле последовательностей, состоящих из двух и более пробелов, и удаление всех из них, кроме первого.
7. Написать программу кодировки входного файла на основании кодового слова с возможностью декодирования (алгоритм сложения по модулю два).
8. Написать программу, осуществляющую подсчет количества строк в текстовом файле и запись полученного числа в начало этого файла первой строкой.
9. Написать программу, которая осуществляет подсчет количества слов в текстовом файле и записывает полученное число в начало этого файла первой строкой.
10. Написать программу, осуществляющую замену в файле всех символов с кодами от C1 по C2 на пробелы.
11. Написать программу, разбивающую текстовый файл на страницы по N строк, то есть добавляющую в файл после каждых N строк символ перевода страницы (код 12).
12. Написать программу, переводящую текстовый файл из формата UNIX в формат DOS и обратно, т.е. добавляющую (или удаляющую) после символа перевода строки (код 10) символ возврата каретки (код 13).
13. Написать программу, выводящую в файл протокола список файлов указанной директории. Если имя файла-протокола не указано, список выводится на экран.
14. Написать программу, определяющую количество файлов в поддереве каталогов, начиная с указанной директории.
15. Написать программу, устанавливающую биты разрешения доступа по исполнению каждому файлу в указанной директории, если для этого файла разрешено исполнение хотя бы для одной группы пользователей.
16. Написать программу, выводящую в файл протокола список файлов указанного каталога, созданных или модифицированных в текущий день.
17. Написать программу, выводящую в файл список имен владельцев файлов в указанном каталоге.
18. Написать программу, выводящую в файл протокола список файлов из указанного каталога, имеющих n и более ссылок.
19. Написать программу, выводящую содержимое входного файла на экран или в выходной файл (если указано его имя), а сообщения об ошибках – в любом случае на экран, используя дублирование потоков (dup).
20. Написать программу, вводящую N байт из стандартного входного потока или из входного файла, если он указан, и запрашивающую количество байт N с клавиатуры (с использованием дублирования потоков (dup)).
21. Написать программу, выводящую содержимое входного файла на экран и дублирующую протокол (stderr) на экран с использованием дублирования потоков (dup).
22. Написать программу, создающую файл, занимающий на диске N блоков.
23. Написать аналог утилиты grep.
24. Написать аналог утилиты find.

1. Забродин Л.Д. UNIX. Введение в командный интерфейс. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994. – 144 с.
2. Дансмур М., Дейвис Г. Операционная система UNIX и программирование на языке Си: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 192 с.
3. Керниган Б.В., Пайк Р. UNIX – универсальная среда программирования: Пер. с англ. – М.: Финансы и статистика, 1992. – 304 с.
4. Робачевский А.М. Операционная система UNIX. – СПб.: BHV – Санкт-Петербург, 1997. – 528 с.
5. Т.Чан Системное программирование на C++ для UNIX. /Пер. с англ. -К.: Издательская группа BHV, 1997. - 592 с.