Implementac;io de entrada/saida no Linux. 478 Sistemas operacionais modernos

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1 478 Sistemas operacionais modernos Chamada a funyao Descriyao s = cfsetospeed(&termios, speed) s cfsetispeed(&termios, speed) s = cfgetospeed(&termios, speed) s :::: cfgtetispeed(&termios, speed) s = tcsetattr(fd, opt, &termios) s = tcgetattr(fd, &termios) Ajusta a velocidade de saida Ajusta a velocidade de entrada Obtern a velocidade de salda Obtem a velocidade de entrada Ajusta os atributos Obtem os atributos i Tabela 10.6 As principais chamadas do POSX para 0 gerenciamento de terminal mplementac;io de entrada/saida no Linux A E/S rio Linux e implementada por urn con junto de drivers de dispositivos, urn para cada tipo de dispositivo. A fum;ao dos drivers e isolar 0 restante do sistema das idiossinctasias do hardware. Por meio do fornecimento de interfaces padronizadas entre os drivers e 0 restante do sistema operadonal, grande parte do sistema de E/S pode ser inserida na pon;ao do nueleo que eindependente de maquina. Quando 0 usuario acessa urn arquivo espedal, 0 sistema de arquivos determina os numeros do dispositiv~ prindpal e secundario pertencentes a ele e se ele e urn arquivo espedal de bloco ou de caractere. 0 numero do dispositiv~ prindpal e usado para indexar urna entre duas tabelas internas. A estrutura localizada contem ponteiros para os procedimentos das chamadas de abertura, leitura e escrita no dispositivo, entre outras. 0 nlimero do dispositivo secundano e passado como urn parametro. A inelusao de urn novo dispositiv~ no Linux implica a inelusao de uma nova entrada em uma dessas tabelas e 0 fornecimento dos procedimentos correspondentes para tratar as varias opera<;i)es sobre 0 dispositivo. Algumas das opera\oes que podem ser assodadas com diferentes dispositivos de caracteres sao apresentadas na Tabela Cada linha se refere a urn umco dispositiv~ de E/S (isto e, urn umco driver). As colunas representam as fun\oes que todos os drivers de caracteres devem implementar. Podem existir vanas outras fun\oes. Quando uma opera\ao eexecutada em urn arquivo espedal de caractere, o sistema indexa para a tabela de espalhamento de dispositivos de caracteres para seledonar a estrutura correta, quando, entao, chama a func;ao correspondente para realizar 0 trabalbo que deve ser executado. Assim, cada opera\,ao de arquivo contem urn ponteiro para uma fun\ao contida no driver correspondente. Cada driver e dividido em duas partes, ambas as quais sao parte do nueleo do Linux e executam no modo nueleo. A metade superior executa no contexto do chamador e faz a interface com 0 restante do Linux. A metade inferior executa no contexte do nueleo e interage com 0 dispositiv~. Os drivers podem fazer chamadas de rotiias do nueleo para aloca\ao de memoria, gerendamento de temporizador, controle de DMA e outras coisas. 0 conjunto das fun\oes do nueleo que podem ser chamadas edefimdo em urn documento chamado nterface Nucleo-Driver. A escrita de drivers para 0 dispositivo eabordada em detalhes em Egan e Teixeira (1992) e Rubini et al. (2005). osistema de E/S edividido em dois componentes prindpais: 0 manipulador de arquivos especiais de blocos e 0 manipulador de arquivos espedais de caracteres. Vamos agora investigar cada urn desses componentes. o objetivo da parte do sistema que faz a E/S nos dispositivos espedais de bloco (por exemplo, discos) eminimizar o numero de transferendas que devem ser feitas. Para isso, os sistemas Linux tern uma cache entre os drivers do disco e 0 sistema de arquivos, como ilustrado na Figura Antes do nueleo 2.2, 0 Linux mantinha caches de pagina e de buffer completamente separadas, de modo que urn arquivo residente em urn bloco do disco poderia ser armaze- Dispositivo Open Close Read Write loct! Outros Null null null null null null... Memoria null null mern_read mem write null... Teclado k_open k_close kjead error.. k ioctl... Terminal tty_open tty close tty read tty write tty ioctl... mpressora p_open p_close error p write p ioctl... Tabela 10.7 Algumas operagoes de arquivos para dispositivos de caracteres tfpicos.

2 Capitulo 10 Estudo de caso 1: Linux 479 i! ' Sistema de arquivos 1 SA2 :0-00: ~ J Driver de dispositivo ~~~~ derede Figura sistema de EJS do Linux mostrando urn sistema de arquivos em detalhes. nado em ambas as caches. Nas versoes mais novas, 0 Linux passou a ter somente uma, cache unificada. Uma camada de bloco genirica agrupa esses componentes, executa as tradu~5es necessarias entre setores de disco, blocos, buffers e paginas de dados e permite opera~6es entre elas. A cache e uma tabela no nucleo para annazenamento de milhares de blocos utilizados mais recentemente. Quando urn bloco de disco e necessario por algum motivo (i-node, diret6rio ou dado), primeiro e feita urna verifica ~ao na cache para saber se 0 que se quer esta lao Caso esteja, ele e tirado de la e evita-se urn acesso ao disco, 0 que resulta em gran des melhoras no desempenho do sistema. Se 0 bloco nao esta na cache de paginas, ele e lido a partir do disco e colocado na cache e, de la, e copiado para onde esta sendo requisitado. Visto que a cache de paginas tern entradas somente para urn numero fixo de blocos, e chamado o algoritmo de substitui~ao descrito na se~ao anterior. A cache de paginas, trabalha tanto com escritas quanto com leituras. Quando urn programa escreve urn bloco, ele vai para a cache, e nao para 0 disco. 0 daemon pdflush ira descarregar 0 bloco para 0 disco quando 0 tamanho da cache aumentar para alem de urn valor espedfico. Alem disso, para evitar que os blocos esperem muito tempo na cache antes de serem escritos no disco, todos os blocos modificados sao escritos no disco a cada 30 segundos. Para reduzir a atenda de movimentos repetidos da cabe~a de disco, 0 Linux recorre a urn escalonador de E/S, cuja finalidade e reorganizar ou agrupar as sohdta ~6es de escritalleitura aos dispositivos de blocos. Existem diversas varia~6es de escalonamento, otimizadas para diferentes cargas de trabalho. 0 escalonador basico do Linux baseia-se no escalonador do elevador de Linus, cujas opera~oes podem ser resumidas da seguinte maneira: as opera~oes de disco sao organizadas em uma lista duplamente encadeada ordenada pelo endere~o do setor da solicita~ao do disco. As novas solidta~oes sao inseridas nessa lista de fonna ordenada e isso evita os custosos movimentos repetidos da cabe~a de disco. A Usta de solidta~oes e entao Ugada, de modo que as opera~oes adjacentes sejam enviadas por uma unica solidta~ao de disco. 0 escalonador do elevador basico pode levar a inani~ao. Assim sendo, a versao revisada do escalonador de discos do Linux inclui duas listas adidonais, mantendo as opera~5es de leitura e escrita ordenadas por seu prazo. 0 padrao para os prazos e 0,5 s para solidta~oes de leitura e 5 s para solidta~oes de escrita. Se urn prazo definido pelo sistema para a opera~ao de escrita mais antiga esta prestes a expirar, essa solidta~ao de escrita sera atendida antes de qualquer outra na lista duplamente encadeada prindpal. Alem dos arquivos de disco regulares, existem tarnbem os arquivos de bloco espedais - tambem chamados de arquivos de bloco brutos (raw). Esses arquivos pennitem que os programas acessem 0 disco utilizando numeros de bloco absolutos sem rela~ao com 0 sistema de arquivos. Eles sao mais frequentemente utilizados para tarefas como pagina~ao e manuten~ao do sistema. A intera~ao com dispositivos de caracteres e simples pois, como esses dispositivos produzem ou consomem cadeias de caracteres ou bytes de dados, 0 suporte ao acesso aleat6rio nao faz muito sentido. Uma exce~ao e 0 usa de disciplinas de linhas, que pode estar assodado a urn tenninal, representado pela estrutura ttyjtruct, e que representa urn interpretador para os dados trocados com 0 dispositivo tenninal. Por exemplo, pode ser feila a edi~o local de linhas (ou seja, caracteres e linhas apagados podem ser removidos), retomos de carro podem ser mapeados em alimenta~oes de linha e ou,tros processamentos espedais podem ser concuidos. Entretanto, se urn processo, w ;

3 480 Sistemas "n.:>r",-,,,r,"'''' modemos deseja interagir com todos os caracteres, ele pode colocar a linha no modo bruto e isso fani com que a disciplina de linhas seja contomado. Nem todos os dispositivos possuem disciplinas de linhas. A saida trabalha de maneira semelhante, expandindo tabula<;6es em espac;os, convertendo alimentac;6es de linha em retomos de carro + alimentac;6es de linha, acrescentando caracteres de preenchimento seguidos de retorno de carro em terminais mecanicos lentos etc. Assim como a entrada, a safda pode acessar 0 tratador de linhas (modo processado) ou ignora-o (modo bruto). 0 modo brute e especialmente util no envio de dados binarios a outros computadores por meio de uma porta serial e para GUs. Aqui, nenhuma conversao edesejada. A intera<;ao com dispositivos de rede e urn pouco diferente. Embora esses dispositivos tambem produzaml consumam fluxos de caracteres, sua natureza assmcrona faz com que sejam menos apropriados para a facil integra<;ao sob a mesma interface que os outros dispositivos de caracteres. 0 driver de dispositiv~ de rede produz pacotes formados por multiplos bytes de dados e cabec;alhos de rede. Os pacotes sao, entao, roteados por urna serie de drivers de protocolos de rede e, em ultima instanda, sao passados ao espa<;o de aplicac;ao do usuario. Uma estrutura de dados essencial e a estrutura de buffer de soquete skbuff, usada para representar porc;6es da memoria preenchidas com dados de pacotes. Os dados em urn buffer skbuffnem sempre iniciam no come<;o do buffer. Como estao sendo processados por diferentes protocol os na pilha de rede, os cabe<;alhos de protocolo podem ser removidos ou inseridos. Os processos do usuario interagem com os dispositivos de rede por meio de soquetes que, no Linux, dao suporte a AP do soquete BSD. Os drivers de protocolo podem ser ignorados e 0 acesso direto aos dispositivos de rede pode ser viabilizado por meio de raw.jockets. Somente superusuarios tern permissao para criar soquetes brutos Modulos no Linux Durante decadas, os drivers dos dispositivos UNX eram estaticamente ligados ao nueleo e, com isso, ficavam todos residentes na memoria sempre que 0 sistema era inidado. Em virtude do ambiente no qual 0 UNX se desenvolveu principalmente nos minicomputadores e nas estac;6es de trabalho avanc;adas, com seus conjuntos pequenos e inalterados de dispositivos de E/S -, esse esquema funcionava bern. Basicamente, cada centro computacional construfa urn nueleo contendo os drivers dos dispositivos de E/S que ele tinha. Se no ano seguinte adquirisse urn novo disco, ele religava 0 mleleo. Nada de especial. Com a chegada do Linux para PC, tudo mudou de repente. 0 mlmero de dispositivos de E/S disponiveis nos PCs emaior do que em qualquer minicomputador. Alem disso, embora os usuarios do Linux tenham(ou possam ter facilmente) 0 codigo-fonte completo, provavelmente a maioria deles sente dificuldade para incluir drivers, atualizar todos os dispositivos de drivers reladonados a estruturas de dados, religar 0 mlcleo e, por fim, preparar 0 sistema para reinicializar corretamente (sem considerar os problemas que surgem quando 0 mleleo nao funciona). o Linux resolveu esse problema com 0 conceito de modulos carregaveis. Esses modulos sao blocos de codigos que podem ser carregados no nucleo enquanto 0 sistema esta em execuc;ao. Normalmente sao drivers de. dispositivos de caractere ou blocos, mas tambem podem ser sistemas de arquivos completos, protocolos de redes, ferramentas de monitorac;ao de desempenho ou qualquer outro modulo desejavel. Quando urn modulo e carregado, vanas coisas devem acontecer. Primeiro, 0 modulo deve ser realocado dinarnicamente durante 0 carregamento. Em segundo lugar, 0 sistema deve verificar se os recursos de que 0 driver precisa estao disponlveis (por exemplo, nlveis de requisi<;ao de interrupc;6es) e, caso estejam, esses recursos tern de ser marcados como em uso. Em terceiro, todos os vetores de interrup <;6es necessarios devem ser ajustados. Em quarto, a tabela de drivers predsa ser atualizada para tratar 0 novo tipo de dispositivo. Por fim, 0 driver pode ser executado para inicializar as caracterfsticas especificas do dispositiv~ que forem necessarias. 0 driver estara totalmente instalado, uma vez que todas essas etapas estejam conelufdas, assim como ocorre com urn driver estaticamente instalado. Outros sistemas UNX modemos ja dao suporte a modulos carregaveis. tlll 0 sistema de arquivos do Linux A parte mais visivel de qualquer sistema operacional, inclusive do Linux, e 0 sistema de arquivos. Nas sec;6es a seguir, examinaremos as ideias basicas reladonadas ao sistema de arquivos do Linux, as chamadas de sistema e como o sistema de arquivos e implementado. Algumas dessas ideias derivam do MULTCS e muitas delas foram copiadas pelo MS-DOS, pdo Windows e por outros sistemas, mas outras ideias sao exclusivas dos sistemas baseados no UNX. o projeto do Linux e especialmente interessante porque ele ilustra nitidamente 0 principio '0 pequeno ebonito'. Com urn mfnimo de mecanismo e urn numero muito imitado de chamadas de sistema, 0 Linux fomece, contudo, urn sistema de arquivos poderoso e elegante J Conceitos fundamentais o primeiro sistema de arquivos do Linux foi 0 do MNX 1. Entretanto, como ele linlltava 0 nome dos aniuivos a 14 caracteres (para manter acompatibilidade com 0 UNX 7), e seu tamanho maximo de arquivo era 64 MB (0 que era urn exagero diante dos discos rfgidos de 10 MB da epoca), hou

4 Capitulo 10 Estudo de caso 1: Linux 481 ve interesse em sistemas de arquivos melhores quase desde o principio do desenvolvimento do Linux, 0 que comec;ou cerca de cinco anos depois de 0 MNX 1 ter sido liberado. A primeira melhora se deu no sistema de arquivos ext, que passou a permitir nomes de ate 255 caracteres e arquivos de 2 GB. Esse sistema, contudo, era mais lento do que 0 MNX 1 e, assim, a busca por melhoras continuou. Acabararn inventando 0 sistema de arquivos ext2, com nomes de arquivos longos, arquivos maiores e melhor desempenho, 0 que fez dele 0 prindpal sistema de arquivos. Entretanto, 0 Linux da suporte a diferentes sistemas de arquivos utilizando a camada VFS (virtual file system - sistema de arquivos virtual), que e descrita na proxima sec;a,o. Quando 0 Linux e ligado, e predso definir quais sistemas de arquivos devem ser compilados com nudeo. Os outros podem ser dinamicarnente carregados como modulos durante a execuc;a,o, caso seja necessario. Urn arquivo do Linux euma sequenda de 0 ou mais bytes contendo qualquer informac;a,o. Nenhuma distinc;ao e feita entre arquivos ASC, arquivos binarios ou quaisquer outros tipos de arquivos. 0 significado dos bits em urn arquivo e de total conhedmento do proprietario do arquivo. 0 sistema nao se preocupa com isso. Os nomes dos arquivos sao lirnitados a 255 caracteres, e todos os caracteres ASC, exceto NUL, sao permitidos nos nomes dos arquivos, de modo que urn nome de arquivo consistindo em tres retornos de carro (carriage returns) e urn nome de arquivo valido (mas nao conveniente). Por convenc;a,o, muitos prograrnas esperarn que os nomes de arquivos sejam constituidos por urn nome basico seguido de urn ponto (que vale por urn caractere) e uma extensiio. Assim prog.c em geral e urn programa em C; prog.f90 normalmente e urn programa em Fortran 90 e prog.o costurna ser urn arquivo-objeto (gerado pelo compilador). Essas convenc;oes nao sao exigidas pelo sistema operacional, mas alguns compiladores e outros prograrnas assim 0 desejam. o tamanho das extens6es e livre e os arquivos podem ter vanas extens6es como em progjava.gz, provavelmente urn programa em Java comprimido com 0 gzip. Os arquivos poderb. ser agrupados em diretorios por questoes de convenienda. Os diretorios sao armazenados como arquivos eem grande parte sao passfveis de ser tratados como arquivos. Eles podem conter subdiretorios, proporcionando urn sistema de arquivos hierarquico. 0 diretorio-raiz e charnado / e geralmente contem varios subdiretorios. 0 caractere / tambem eusado para separar nomes de diretorios; assim, 0 nome /usr/ast/x indica 0 arquivo x localizado no diretorio ast, que esta no diretorio /usr. Alguns dos diretorios prindpais proximos ao topo da arvore hierarquica sao mostrados na Tabela Existem duas maneiras de especificar os nomes de arquivos no Linux, tanto no shell quanto durante a abertura de urn arquivo por meio de urn programa. A primeira maneira consiste em usar 0 caminho absoluto, que espedfica como obter 0 arquivo a partir do diretorio-raiz. Urn DiretOrio Conteudos bin Programas binarios (executaveis) : dev Arquivos especiais para disposftivos de ElS etc lib usr Arquivos diversos do sistema Bibliotecas Diret6rios de usuarios Tabela 10.8 Alguns diret6rios importantes encontrados na maioria dos sistemas Linux. exemplo de caminho absoluto e /usr/ast/books/mos3/chap-lo, que pede ao sistema para procurar no diretorio-raiz urn diret6rio chamado usr, depois urn outro diret6rio chamado ast. Esse diret6rio contem 0 diret6rio books, que contem 0 diret6rio mos3, que contem 0 arquivo chap-10. Os nomes de caminhos absolutos muitas vezes sao longos e inconvenientes. Por essa razao, 0 Linux permite que usuarios e processos definam 0 diret6rio no qual eles estejam trabalhando atualmente como 0 diret6rio de trabalbo. AssUn, os nomes de caminho tambem podem ser definidos em relac;ao ao diret6rio de trabalho.um nome de caminho especificado de modo relativo ao diret6rio de trabalho e urn caminho relativo. Por exemplo, se /usr/ast/books/mos3 e 0 diretorio de trabalho, entao 0 comando do shell cp chap-1 a backup-1 a tern exatamente 0 mesmo efeito que 0 comando completo cp /usr/ast/books/mos3/chap-1 a /usr/astlbooks/mos3/ backup-10 Frequentemente urn usuario predsa referenciar urn arquivo que pertence a outro usuario ou que, pelo menos, esta localizado em outra parte da arvore de arquivos. Por exemplo, se dois usuarios estiverem compartilhando urn arquivo, 0 usuario em questao estara localizado em urn diretorio pertencente a urn deles e, com isso, 0 outro usu<lrio teni de usar urn nome de caminho absoluto para referenda-o (ou trocar 0 diretorio de trabalho). Se 0 caminho e muito grande, talvez se tome irritante digita-o constantemente. 0 Linux fornece uma soluc;ao para esse problema ao permitir que os usuarios fac;am uma nova entrada em seu diretorio que aponte para urn arquivo existente. Essa entrada e chamada de liga~ao (link). Como exemplo, considere a situac;ao da Figura 10.16(a). Fred elisa estao trabalhando juntos em urn projeto e cada urn predsa de acesso frequente aos arquivos do outro. Se Fred tern /usr/fred como seu diretorio de trabalho, ele pode referendar 0 arquivo x no diretorio de Lisa usando /usr/lisa/x. Como alternativa, Fred pode criar urna nova entrada em seu diretorio, como mostra a Figura 1O.16(b), permitindo usar apenas x para indicar /usr/lisa/x.

5 482 Sistemas operacionais modernos bin dey etc lib tmp de processos por programas que criam sistemas de arquivos (por exemplo, mkfs) e por programas que resolvem problemas nos sistemas de arquivos (por exemplo, fsck). Muitos computadores tem dois ou mais discos. Nos computadores de grande porte que existem nos bancos, por exemplo, costuma haver cem discos ou mais em uma mesma maquina para annazenar a grande quantidade de bases de dados necessarias. Mesmo em computadores pessoais, existem pelo menos dois discos: um disco rigido e uma unidade de disco flexivel Quando existem varios dispositivos de disco, e importante saber como trata-os. Uma solu<;ao e usar um sistema de arquivos independente em cada um e simplesmente manter todos separabin dey etc lib tmp fred [] x (a) (b) Figura (a) Antes da ligagao. (b) Ap6s a ligayao. No exemplo que acabamos de discutir, sugerimos que, antes da liga<;ao, a unica maneira de Fred referendar 0 arquivo x de Lisa era usando seu carninho absoluto. Na realldade, isso nao e totalmente verdade. Quando urn diret6rio e ciado, duas entradas,. e.., sao inseridas automaticamente. A primeira se refere ao proprio diretorio de trabalho. A segunda, ao diretorio-pai do diretorio em questao, isto e, 0 diretorio anterior no qual 0 diretorio em questao aparece relacionado. Assim, a partir de lusrlfred, urn outro caminho para 0 arquivo x de Lisa e..lisalx. Alem dos arquivos regulares, 0 Linux tambem da suporte aos arquivos espedais de caracteres e de blocos. Os arquivos especiais de caracteres sao usados para modelar os dispositivos de E/S seriais, como os teclados e as impressoras. Abrir e ler 0 arquivo /devltty possibilita a leitura real do teclado; abrir e escrever no arquivo devllp permite a escrita real na impressora. Os arquivos espedais de blocos, muitas vezes com nomes como devlhdl, podem ser usados para a leitura e escrita em parti<;oes do disco em modo bruto sem considerar 0 sistema de arquivos. Assim, urn posicionamento no byte k, seguido por uma leitura, pennitira uma leitura r do k-esimo byte da parti<;ao correspondente, ignorando por completo a estrutura do arquivo e do i-node. Os dispositivos de blocos em modo bruto sao usados para pagina<;ao e troca " dos. Considere, por exemplo, a situa<;ao apresentada na Figura 10.17(a). Nela temos um disco rigido, que chamaremos de C:, e um DVD, que chamaremos de D:. Cada um tem seus proprios arquivos e diretorio-raiz. Com essa solu<;ao, 0 usuario deve especificar tanto 0 dispositivo quanta 0 arquivo quando qualquer outro dispositivo diferente do padrao e necessario. Por exemplo, para copiar o arquivo x no diretorio d (supondo que C: seja 0 padrao) alguem deveria digitar cp D:/x a/d/x Essa e a estrategia empregada em sistemas como 0 MS -DOS, 0 Windows 98 e 0 VMS. A solu<;ao do Linux e pennitir que um disco seja montado em uma arvore de arquivos de outro disco. Em nosso exemplo, podemos montar 0 DVD no diret6rio b, obtendo o sistema de arquivos da Figura 1O.17(b). 0 usuario agora ve uma unica arvore de arquivos e nao predsa estar dente de qual arquivo reside em qual dispositiv~. 0 comando de c6pia anterior pode, entao, ser cp b/x a/d/x exatamente 0 mesmo que seria se tudo ja estivesse no disco rigido. Outra propriedade interessante do sistema de arquivos da Linux e 0 travamento (locking). Em algumas aplica es, dois ou mais processos podem estar usando 0 mesmo arquivo ao mesmo tempo, 0 que e capaz de gerar condi<;oes de comda. Uma solu<;ao e programar a aplica<;ao com regioes criticas. Contudo, se os processos pertencem a usuarios independentes que nem sempre conhecem uns aos outros, esse tipo de coordena<;ao e, em geral inconveniente. Considere, por exemplo, uma base de dados com muitos arquivos em um ou mais diret6rios acessados por usua-... rios nao relacionados. Certamente e possivel assodar urn semaforo a cada diret6rio ou arquivo e implementar a exdusao mutua, devendo os processos executar uma opera <;ao down sobre 0 semaforo apropriado antes de acessar os

6 capitulo 10 Estudo de caso 1: Linux 483 Disco rfgido DVD Disco rigido.ji\ Figura (a) Sistemas de arquivos separados. (b) Ap6s a montagem. (a) (b) dados. A desvantagem, porem, e que 0 arquivo ou 0 diretono todo fica impedido, mesmo que somente urn registro deva ser acessado. Por essa razao, 0 POSX fomece um mecanismo fiexivel e de granulandade fina para que os processos usem travas tao pequenas quanta para um unico byte e tao grandes quanta um arquivo inteiro em uma opera\ao indivisfvel. 0 mecanismo de trava requer que 0 chamador especifique 0 arquivo a ser acessado, 0 byte inicial e 0 numero de bytes seguintes. Se a opera\ao e bem-sucedida, 0 sistema rna uma entrada na tabela e anota que os bytes em questao (isto e, um registro da base de dados) estao impedidos de serem acessados por outros processos. Dois tipos de travas sao fomecidas: travas comparti hadas e travas exclusivas. Se uma parte de determinado arquivo ja contt~m uma trava compartilhada, e permitida uma segunda tentativa de colocar nele uma trava compartilhada, mas uma tentativa de colocar uma trava exclusiva niio e aceita. Se uma por\ao de um arquivo contem uma trava exclusiva, todas as tentativas seguintes para travar qualquer parte daquela por\ao falharao ate que a trava seja liberada. Para que uma trava seja posicionada com sucesso, todos os bytes da regiao a ser travada devem estar disponlveis. Para posicionar uma trava, um processo deve especificar se ele quer ser bloqueado ou nao, no caso de a trava falhar. Se ele escolhe ser bloqueado, quando existente e removida, 0 processo solicitante e desbloqueado e seu travamen to e efetivado. Se 0 processo escolhe nao ser bloqueado durante a falha de sua solicita\ao de trava, a chamada de sistema retoma imediatamente, com 0 cadigo de status informando se a opera\ao foi ou nao bem-sucedida. Se nao foi, 0 chamador tem de decidir 0 que fazer (por exemplo, esperar e tentar novamente). As regioes travadas podem ser sobrepostas. Na Figura 1O.18(a), vemos que 0 processo A coloca uma trava com Trava eompartilhada do proeesso A. (a) ;0 2 3 ~~ (b) Trava compartil~ada de A...--r--r--..--;;;:;:;;~ (e) Trava eompartilhada de B A B ~ ~ ~v~ ~ Trava compartilhada de C Figura (a) Um arquivo com uma trava. (b) Aerescimo de outra trava. (e) Uma terceira trava. _lm j

7 484 Sistemas operacionais modernos partilhado nos bytes de 4 a 7 de algum arquivo. Em seguida, 0 processo B coloca uma trava compartilhada nos bytes de 6 a 9, como mostra a Figura 10.18(b). Por :lim, Cimpede os bytes de 2 a 11. Como todas essas travas sao compartilhadas, elas podem coexistir. Agora considere 0 que acontece se urn processo tenta adquirir uma trava exdusiva para 0 byte 9 do arquivo da Figura 1O.18(c), com uma solidtac;ao para ser bloqueado no caso de falha. Visto que os dois impedimentos anteriores cob rem esse bloco, 0 chamador e bloqueado e permanece assim ate que ambos, B e C, liberem suas travas Chamadas de sistema de arquivos no Linux Muitas chamadas de sistema sao reladonadas a arquivos e ao sistema de arquivos. Primeiro, veremos as chamadas de sistema que operam sobre arquivos individuais. Em seguida, examinaremos as que envolvem diret6rios ou o sistema de arquivos como urn todo. Para criar urn novo arquivo, e possivel empregar a chamada creat. (Certa vez, quando Ken Thompson foi questionado sobre 0 que faria diferente se tivesse a oportunidade de reinventar 0 UNX, ele respondeu que escreveria creat como create dessa vez.) as parametros fornecem 0 nome do arquivo e 0 modo de protec;ao. Assim, fd = creat("abc", mode); cria urn arquivo chamado abc com os bits de protec;ao obtidos de mode. Esses bits determinam quais usuarios podem acessar 0 arquivo e como isso pode ser feito. Eles sao descritos mais adiante. A chamada creat, alem de criar urn novo arquivo, tambern 0 abre para escrita. A fim de permitir que novas chamadas de sistema acessem 0 arquivo, uma chamada creat bem-sucedida retorna como resultado urn pequeno numero inteiro nao negativo chamado descritor de arquivo fd no exemplo anterior. Se uma chamada creat e feita sobre urn arquivo existente, 0 referido arquivo tern seu tamanho zerado e seu conteudo e descartado. Vamos agora continuar abordando as prindpais chamadas de sistema de arquivos, apresentadas na Tabela Para ler de urn arquivo existente ou escrever nele, 0 arquivo deve primeiro ser aberto usando open. Essa chamada espedfica 0 nome do arquivo a ser aberto e como ele deve ser aberto: para leitura, escrita ou ambos. Varias opc;oes tambern podem ser espedficadas. Como creat, a chamada para open retorna urn descritor de arquivo que pode ser usado para a leitura ou escrita. Em seguida, 0 arquivo pode ser fechado por meio de close, que deixa 0 descritor de arquivo disponivel para reutilizac;ao nas operac;oes subsequentes de creat ou open. Tanto a chamada creat quanto a open sempre retornam 0 menor descritor de arquivo numerado que nao esteja atualmente em uso. Quando urn program a inida sua execuc;ao de modo padrao, os descritores de arquivos 0, 1 e 2 ja estao abertos e assodados it entrada-padrao, it saida-padriio e ao erro -padriio, respectivamente. Dessa maneira, urn filtro, como o programa sort, pode simplesmente ler sua entrada do descritor de arquivo 0 e escrever sua saida para 0 descritor de arquivo 1, sem se preocupar em saber quais sao esses arquivos. Esse mecanismo fundona porque 0 shell faz com que esses valores referendem os arquivos corretos (rediredonados) antes de 0 program a inidalizar. As chamadas mais usadas sao, sem duvida, read e write. Cada uma tern tres parametros: urn descritor de arquivo (dizendo quais arquivos abertos devem ser lidos ou escritos), urn enderec;o de buffer (que informa onde colocar ou obter 0 dado) e urn contador (dizendo quantos bytes Chamada de sistema fd =creat(nome, modo) fd =open(arquivo, como,...) s =close(fd); n =read(fd, buffer, nbytes) n =write(fd, buffer, nbytes) posi980 =seek(fd, deslocamento, de-onde) s =stat(nome, &bun s =fstat(fd, &buij s =pipe(&fd[o)) s =fcntl(fd, comando,...) Descricrao Uma maneira de criar um novo arquivo Abre um arquivo para leitura, escrita ou ambos Fecha um arquivo aberto Le dados de um arquivo para um buffer Escreve dados de um buffer para um arquivo Move 0 ponteiro do arquivo Obtem a informa98o de estado do arquivo Obtem a informa980 de estado do arquivo Cria um pipe Trava de arquivo e outras opera96es Tabela 10.9 Algumas chamadas de sistema relacionadas a arquivos. 0 c6digo de retorno s e -1 se ocorrer algum erro; fd e um descritor de arquivo e position e um offset de arquivo. Os parametros sao autoexplicativos.

8 Capitulo 10 Estudo de caso 1: Linux 485 transferir). sso e tudo - e urn projeto muito simples. Uma chamada upica e n := read(fd, buffer, nbytes); Embora a maio ria dos programas leia e escreva nos arquivos sequencialmente, alguns programas precisam acessar partes aleatorias de urn arquivo. Associado a cada arquivo existe urn ponteiro que indica a posi~ao atual do arquivo. Durante leituras (ou eseritas) sequenciais, ele normalmente aponta para 0 proximo byte a ser lido (ou eserito). Se 0 ponteiro esta, digamos, na posi~ao 4096, an~ tes que bytes sejam lidos, ele automaticamente sera movido para 5120, apos uma chamada de sistema read bem -sucedida. A chamada seek altera 0 valor do ponteiro atual, de modo que as chamadas subsequentes a read.ou write possam comec;ar em qualquer lugar do arquivo, ou mesmo alem do fim dele. Ela e chamada seek para evitar confusao com seek, uma chamada agora obsoleta inicialmente usada para posicionamentos em computadores de 16 bits. Lseek possui tres parametros: 0 primeiro e 0 descritor de arquivo para 0 arquivo; 0 segundo ea posi~ao do arqui YO; 0 terceiro diz se a posi~ao do arquivo e relativa ao inicio do arquivo, a posi~ao atual ou ao fim do arquivo. 0 valor retomado por seek e a posic;ao absoluta no arquivo apos 0 ponteiro do arquivo ter side alterado. ronicamente, seek e a (mica chamada de sistema de arquivos que nunca causa urn acesso real ao disco, pois tudo 0 que ela faz e atualizar a posic;ao atual do arquivo, que na verdade se trata de um numero na memoria. Para cada arquivo, 0 Linux mantem 0 controle do modo do arquivo (regular, diretorio, arquivo especial), tamanho, hora da ultima modificac;ao e outras informac;6es. Os programas podem solicitar essas informac;oes pela chamada de sistema stat. 0 primeiro parametro e 0 nome do arquivo. 0 segundo e urn ponteiro para uma estrutura onde a informa~iio solidtada deve ser colocada. Os campos da estrutura sao mostrados na Tabela A chamada Dispositivo do a(quiv,o Numero do i-node (qual arquivo do dispositiv~)! Modo do arquivo ~nelui informagao de protegao) Numero de ligagoes para 0 arquivo i ldentificagao do proprietario do arquivo Grupo ao qual pertenee 0 arquivo Tamanho do arquivo (em bytes) Hora da eriagao Hora do ultimoaeesso Hora da ultima modifieagao Tabela Os campos retornados pela chamada de sistema stat. fstat e a mesma de stat, exceto pelo fato de que opera sobre urn arquivo aberto (cujo nome pode nao ser conheddo) em vez de operar sobre 0 nome do caminho. A chamada de sistema pipe e usada para eriar pipelines no shell. Essa chamada eria urn tipo de pseudoarquivo, que armazena temporariamente os dados entre os componentes do pipeline e retoma os deseritores de arquivos tanto para leitura quanto para eserita no buffer. Em urn pipeline como sort <in head -30 o descrito: de arquivo (saida-padrao) no processo em execu~ao sort deve ser ajustado (pelo shell) para eserita no pipe, e 0 deseritor de arquivo 0 (entrada-padrao) no processo em execuc;ao head deve ser ajustado para leitura do pipe. Dessa maneira, sort simpiesmente e a partir do deseritor de arquivo 0 (configurado para 0 arquivo in) e escreve no descritor de arquivo 1 (0 pipe) sem saber que os deseritores estao rediredonados. Se os deseritores nao sao redirecionados, sort automaticamente lera do teclado e escrevera no terminal (dispositivos-padrao). Da mesma maneira, quando head e a partir do deseritor de arquivo 0, ele e os dados que sort coloca no buffer do pipe sem saber que urn pipe esta sendo usado. Esse e um nitido exemplo de urn conceito simples (redirecionamento), com uma implementa~ao simples (descritores de arquivos 0 e 1), que leva a uma ferramenta poderosa (conexao de programas em modos arbitrarios sem a necessidade de modifica-os). A ultima chamada de sistema na Tabela 10.9 Hent!. Ela e usada para impedir ou liberar 0 acesso a arquivos, executando algumas operac;6es especificas de arquivos. Agora vamos analisar algumas chamadas de sistema relacionadas mais a diretorios ou ao sistema de arquivos como urn todo, em vez de somente a urn arquivo especifico. Algumas chamadas comuns sao apresentadas na Tabela Os diretorios sao criados e destruidos usando mkdir e rmdir, respectivamente. Urn diretorio s6 pode ser removido se estiver vazio. Como vimos na Figura 10.16, uma liga~ao para urn arquivo cria uma nova entrada no diretorio que aponta para urn arquivo ja existente. A chamada de sistema link cria essa ligac;iio. Os parametros especificam os nomes original e novo, respectivamente. As entradas no diret6rio sao removidas com unlink. Quando a ultima ligac;ao eremovida, o arquivo e automaticamente apagado. Para urn arquivo que nao foi ligado, a primeira execuc;ao de unlink ja apaga o arquivo. o diretorio de trabalho ealterado pela chamada de sistema ehdir. Essa ac;ao tern 0 efeito de trocar a interpretac;ao dos nomes de caminhos relativos. As ultimas quatro chamadas da Tabela sao para a leitura de diret6rios, que podem ser abertos, fechados e lidos, de maneira analoga aos arquivos comuns. Cada chamada readdir retorna exatamente uma entrada do diret6rio em urn formato fixo. Nao ha como os usuarios escreverem em *d

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