Операционные системы 5 (стр. 16 из 43)

3.5. Разделение файлов между процессами

В многозадачных ОС, а также в сетевых системах, возможна ситуация, когда два или более процессов пытаются одновременно использовать один и тот же файл. Например, два пользователя могут одновременно работать с одной базой данных. Будем предполагать, что с правами доступа все в порядке, каждый процесс в отдельности имеет право читать и записывать файл. Вопрос в том, можно ли разрешить одновременную работу, не приведет ли это к нарушению целостности данных.

Может привести. Если один процесс обновляет данные в файле, а другой в это время пытается читать эти же данные, то он может прочесть частично обновленные данные. Еще опаснее, когда два процесса пытаются одновременно изменить одни и те же данные. В этом случае трудно даже предсказать, что в результате будет сохранено в файле.

В принципе, всегда безопасными являются лишь два крайних случая:

· только один процесс работает с файлом, выполняя чтение и запись;

· с файлом работает произвольное число процессов, но все они выполняют только чтение.

ОС могла бы обеспечить безопасный доступ, разрешая процессу открывать файл только в этих двух случаях, т.е. если файл не открыт еще ни одним другим процессом либо если файл открыт кем-то только для чтения и данный процесс тоже открывает его для чтения. Однако такая суровость в ряде случаев существенно снизила бы производительность системы. Скажем, много пользователей хотели бы одновременно работать с одной базой данных. И в этом нет ничего плохого, пока они работают с разными записями базы. Опасность возникает только при одновременной работе с одной и той же записью. Но ОС не может сама отследить ситуацию так подробно, это может сделать программа, управляющая базой данных. Ввиду подобных ситуаций, большинство ОС позволяют программам процессов самим определять, допустим ли совместный доступ в различных конкретных ситуациях.

Типичное решение заключается в следующем. Прикладная программа, вызывая системную функцию открытия файла, указывает два дополнительных параметра: режим доступа и режим разделения.

Режим доступа определяет, какие операции сам процесс собирается выполнять с файлом. Обычно различают доступ «только для чтения», «только для записи», «для чтения и записи».

Режим разделения определяет, какие операции данный процесс готов разрешить другим процессам, которые захотят открыть тот же файл. Примерный набор режимов разделения – «запрет записи», «запрет чтения», «запрет чтения и записи» и «без запретов».

Первый процесс, открывающий файл, устанавливает по своему усмотрению режимы доступа и разделения. Когда второй процесс пытается открыть тот же файл, ОС проверяет два условия:

· режим доступа второго процесса не должен противоречить режиму разделения, установленному первым процессом;

· режим разделения, запрашиваемый вторым процессом, не должен запрещать тот режим доступа, который уже установил для себя первый процесс.

В случае нарушения одного из этих условий система не открывает файл для второго процесса, функция открытия файла возвращает ошибку. Если же условия соблюдены, система открывает файл для второго процесса, как бы снимая с себя ответственность за последствия: вы этого хотели – получите.

До сих пор речь шла только о поведении процессов и системы при открытии файла. Однако это не полностью решает проблему. Вернемся к примеру с базой данных. Пусть соответствующий файл открыт несколькими процессами. Когда один из процессов приступает к работе с конкретной записью, он должен иметь возможность временно запретить или ограничить доступ других процессов к этой же записи. Для этой цели служит блокировка процессом фрагментов файла.

Для установления блокировки процесс вызывает соответствующую системную функцию, указывая начало блокируемого фрагмента и его размер. Если другой процесс после этого попытается прочитать или записать данные, хотя бы частично попадающие в заблокированный фрагмент, то либо функция чтения (записи) выдаст ошибку, либо процессу придется ждать снятия блокировки. Как правило, блокировка устанавливается на как можно меньший интервал времени, чтобы не снижать производительность системы.

Описанный выше тип блокировки называется эксклюзивной или исключительной блокировкой: процесс разрешает себе и чтение, и запись, а другим процессам временно запрещает то и другое. Некоторые системы допускают также кооперативную (не исключительную) блокировку: устанавливая ее, процесс запрещает только запись всем процессам, в том числе и себе самому, в то время как чтение остается разрешенным для всех.

3.6. Файловая система FAT и управление данными в MS-DOS

3.6.1. Общая характеристика системы FAT

Система FAT была разработана для ОС MS-DOS. Это простая файловая система с сегментированным размещением, без многопользовательской защиты. Структура каталогов – древовидная, причем на каждом дисковом томе создается отдельное дерево. Для указания местоположения файла может использоваться его полное имя, содержащее букву диска, путь по дереву каталогов и собственно имя файла, например: «C:\UTILS\ARCH\RAR.EXE».

В ОС Windows также возможно использование FAT, особенно оправданное для дискет. Для жестких дисков большого объема система FAT становится малоэффективной и постепенно вытесняется более мощной системой NTFS.

3.6.2. Структуры данных на диске

При форматировании дискеты или раздела жесткого диска в системе FAT все дисковое пространство разбивается на следующие области, показанные на рис. 3‑2.

Рис. 3‑2

· BOOT-сектор содержит основные количественные параметры дискового тома и файловой системы, а также может содержать программу начальной загрузки ОС.

· таблица FAT (FileAllocationTable) – содержит информацию о размещении файлов и свободного места на диске. Ввиду критической важности этой таблицы она всегда хранится в двух экземплярах, которые должны быть идентичны[4]. Каждая операция, изменяющая содержимое FAT, должна одинаковым образом изменять оба экземпляра.

· ROOT – корневой каталог системы, содержащий данные о файлах и о подкаталогах верхнего уровня, каждый из которых в свою очередь может содержать файлы и подкаталоги.

· Область данных – массив кластеров, содержащий все файлы и все каталоги (кроме корневого).

Рассмотрим подробно, как хранится вся информация о файле, имеющаяся в системе FAT.

При создании файла в одном из каталогов файловой системы создается запись, хранящая основной объем информации об этом файле. Каждый каталог, кроме корневого, также является файлом особого вида, и запись о нем содержится в родительском каталоге. Каталожная запись всегда занимает 32 байта, ее структура показана в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Структура записи каталога файловой системы FAT

Поле записи	Размер поля (в байтах)
Имя файла	8
Расширение имени (тип файла)	3
Атрибуты (флаги)	1
Размер файла (в байтах)	4
Дата последнего изменения	2
Время последнего изменения	2
Резерв (не используется)	10
Номер первого кластера файла	2

Как видно из таблицы, имя файла может занимать не более 8 символов плюс еще 3 символа расширения. В начале 80-х годов казалось, что этого вполне достаточно. Позднее это ограничение окрестили «проклятием 8 + 3», и избавить от него файловую систему FAT удалось только в Windows 95.

Байт атрибутов содержит набор битов, характеризующих свойства файла. Наряду с практически бесполезными атрибутами «скрытый», «системный» и «архивный», там содержатся и важные: «только для чтения», «каталог» и «метка тома». Атрибут «только для чтения» запрещает системе удалять файл или открывать его для записи. Атрибут «каталог» означает, что данная запись описывает не обычный файл, а каталог. Атрибут «метка тома» может содержаться только в корневом каталоге, такая запись не описывает никакой файл, а вместо этого содержит в полях имени и расширения 11-символьную метку (имя), присвоенную данному дисковому тому.

В целом, запись каталога содержит почти все, что системе известно о файле, а если размер файла не превышает одного кластера, то полностью все. Если же файл содержит более одного кластера, то номера остальных можно найти в таблице FAT.

Таблица FAT состоит из записей, количество которых равно количеству кластеров в области данных, а размер одной записи может быть равен 12, 16 или 32 битам. Соответственно говорят о разновидностях файловой системы FAT-12, FAT-16 или FAT-32. Размер записи должен быть таким, чтобы в ней можно было записать максимальный номер кластера. Например, для стандартной трехдюймовой дискеты емкостью 1.44 Мб достаточно использовать FAT-12, поскольку это позволяет иметь 2¹² = 4096 кластеров (на самом деле, чуть меньше), и даже при кластерах размером в 1 сектор (512 байт) этого более чем достаточно: 4096 ´ 512 = 2 Мб.

Записи FAT «по историческим причинам» нумеруются, начиная с 2 и кончая максимальным номером кластера, каждая запись FAT описывает соответствующий кластер с тем же номером. Запись может принимать следующие значения:

· если кластер принадлежит некоторому файлу (или каталогу) и является последним (или единственным) в этом файле, то запись FAT содержит специальное значение – все единицы (FFF₁₆ для FAT-12 или FFFF₁₆ для FAT-16);