В этом разделе мы рассмотрим механизм организации обмена данными с файлами, после чего станет понятным, что происходит в системе, когда один и тот же файл открывается в системе одновременно несколькими процессами, а в каждом из них, возможно, по нескольку раз.
Для организации операций обмена в ОС Unix используются системные таблицы и структуры, часть которых ассоциирована с каждым процессом (т.е. они располагаются в адресном пространстве процесса), а часть — с самой ОС.
Таблица открытых файлов (ТОФ) создается в адресном пространстве процесса. Каждая запись этой таблицы соответствует открытому в процессе файлу. Говоря о номере дескриптора открытого в процессе файла, — т.н. файловый дескриптор — подразумевается соответствующий номер записи в таблице открытых файлов процесса. Размер данной таблицы определяется при настройке операционной системы: этот параметр декларирует предельное количество открытых в одном процессе файлов.
Каждая запись ТОФ содержит целый набор атрибутов, который в данный момент нам не интересен, но в этом наборе имеется один достаточно важный атрибут — это ссылка на номер записи в таблице файлов операционной системы (ТФ). Таблица файлов ОС является системной таблицей, она представлена в системе в единственном экземпляре. В этой таблице происходит регистрация всех открытых в системе файлов.
В таблице файлов ОС помимо прочего содержатся такие атрибуты, как указатель чтения/записи (ссылающийся на позицию в файле, начиная с которой будет происходить, соответственно, чтение или запись), счетчик кратности (речь о нем пойдет ниже) и ссылка на таблицу индексных дескрипторов открытых файлов.
Таблица индексных дескрипторов открытых файлов (ТИДОФ) также является системной структурой данных, содержащей перечень индексных дескрипторов всех открытых в данный момент в системе файлов. Каждая запись этой таблицы содержит актуальную копию открытого в системе индексного дескриптора. Здесь также хранится целый набор параметров, среди которых имеется и счетчик кратности.
Для иллюстрации рассмотрим следующий пример (Рис. 148). Пускай в системе запущен Процесс1, для которого система при его создании сформировала ТОФ1. Затем этот процесс посредством обращения к системному вызову open() открывает файл с именем name. Это означает, что в свободном месте этой таблицы заводится файловый дескриптор для работы с данным файлом. В этой записи ТОФ хранится ссылка на соответствующую запись в ТФ. Если файл открывается впервые в системе, то в ТФ заводится новая запись для работы с этим файлом. В данной записи хранится указатель чтения/записи, а также коэффициент кратности, который в начале устанавливается в значение 1 — это означает, что с данной записью ТФ ассоциирована единственная запись из какой-либо ТОФ. И, конечно, в данной записи ТФ хранится ссылка на запись в ТИДОФ, содержащую актуальную копию индексного дескриптора обрабатываемого файла. Таблицы ТФ и ТИДОФ хранят оперативную информацию, поэтому они располагаются в ОЗУ. Соответственно, файловая система, работая с блоками открытого файла, оперирует данными, хранимыми именно в ТИДОФ.
Рис. 148. Организация обмена данными с файлами.
Пускай в системе позже был запущен Процесс2, который также открыл файл name. В этом случае в ТФ заводится новая запись, в которой устанавливается свой указатель чтения/записи, но эта запись ТФ будет ссылаться на тот же номер записи в ТИДОФ. Такой механизм позволяет корректно (с системной точки зрения) обрабатывать ситуации одновременной работы с одним и тем же файлом: поскольку в итоге все сводится к единственной актуальной копии индексного дескриптора в ТИДОФ, то работа ведется с соответствующими блоками файла. При этом данные процессы работают с файлом каждый «по-своему», т.к. каждый из них оперирует независимыми указателями чтения/записи, хранимыми в различных записях ТФ.
Теперь предположим, что после открытия файла name, Процесс1 обращается к системному вызову fork() и порождает своего потомка — Процесс3. При обращении к системному вызову fork() ТОФ родительского процесса копируется в ТОФ сыновнего процесса. Соответственно, все записи ТОФ3 будут ссылаться на те же записи ТФ, что и записи ТОФ1. Это означает, что при порождении сыновнего процесса в соответствующих записях ТФ происходит увеличение на 1 счетчика кратности. Заметим, что подобный механизм наследования подразумевает, что дочерний процесс будет работать с теми же указателями чтения/записи, что и родительский процесс.
Рассмотренная модель организации обмена данными с файлами имеет свои достоинства и недостатки. Так, ТИДОФ располагается в оперативной памяти. Это означает, что становится эффективнее работа с файловой системой, поскольку уменьшается число обращений к пространству индексных дескрипторов файловой системы, т.е. этот механизм можно считать кэшированием системных обменов. Но эта модель имеет главный недостаток, связанный с некорректным завершением работы операционной системы: если в системе происходит сбой, то содержимое ТИДОФ будет потеряно, а это означает, что будут потери и в файловой системе.