Основы программирования в Linux

В каталоге /dev можно найти и другие устройства, такие как дисководы жестких дисков и флоппи-дисководы, коммуникационные порты, ленточные накопители, дисководы CD-ROM, звуковые карты и некоторые устройства, представляющие внутреннюю структуру системы. Есть даже устройство /dev/zero, действующее как источник нулевых байтов для создания файлов, заполненных нулями. Для доступа к некоторым из этих устройств вам понадобятся права супер пользователя; обычные пользователи не могут писать программы, непосредственно обращающиеся к низкоуровневым устройствам, таким как накопители жестких дисков. Имена файлов устройств могут быть в разных системах различными. В дистрибутивах ОС Linux обычно есть приложения, выполняемые от имени суперпользователя и управляющие устройствами, которые иначе будут недоступны, например, mount для монтируемых пользователями файловых систем.

Устройства делятся на символьные и блочные. Отличие заключается в том, что к некоторым устройствам следует обращаться поблочно. Обычно только блочные устройства, такие как жесткие диски, поддерживают определенный тип файловой системы.

В этой главе мы сосредоточимся на дисковых файлах и каталогах. Другому устройству, пользовательскому терминалу, будет посвящена глава 5.

Системные вызовы и драйверы устройств

Вы можете обращаться к файлам и устройствам и управлять ими, применяя небольшой набор функций. Эти функции, известные как системные вызовы, непосредственно представляются системой UNIX (и Linux) и служат интерфейсом самой операционной системы.

В сердце операционной системы, ее ядре, есть ряд драйверов устройств. Они представляют собой коллекцию низкоуровневых интерфейсов для управления оборудованием системы. Например, в ней есть драйвер устройства для ленточного накопителя, который знает, как запустить ленту, перемотать ее вперед и назад, прочитать ее и записать на нее и т.д. Ему известно, что на ленту следует писать данные блоками определенного размера. Поскольку ленты — по природе своей устройства с последовательным доступом, драйвер не может обращаться непосредственно к блокам ленты, сначала он должен перемотать ленту до нужного места. Точно так же низкоуровневый драйвер накопителя жесткого диска будет записывать на диск в каждый момент времени только целое число дисковых секторов, но сможет прямо обратиться к любому нужному блоку диска, поскольку диск — это устройство с произвольным доступом.

Для формирования одинакового интерфейса драйверы устройств включают в себя все аппаратно-зависимые свойства. Уникальные аппаратные средства обычно доступны через системный вызов ioctl (I/O control, управление вводом/выводом).

Файлы устройств из каталога /dev используются одинаково: они могут открываться, читаться, на них можно записывать и их можно закрывать. Например, один и тот вызов open, используемый для доступа к обычному файлу, применяется для обращения к пользовательскому терминалу, принтеру или ленточному накопителю.

К низкоуровневым функциям или системным вызовам, используемым для обращения к драйверам устройств, относятся следующие:

open — открывает файл или устройство;

read — читает из открытого файла или устройства;

 write — пишет в файл или устройство;

close — закрывает файл или устройство;

ioctl — передает управляющую информацию драйверу устройства.

Системный вызов ioctl применяется для аппаратно-зависимого управления (как альтернатива стандартного ввода/вывода), поэтому он у каждого устройства свой. Например, вызов ioctl может применяться для перемотки ленты в ленточном накопителе или установки характеристик управления потоками последовательного порта. Этим объясняется необязательная переносимость ioctl с машины на машину. Кроме того, у каждого драйвера определен собственный набор команд ioctl.

Этот системный вызов, как и другие, обычно описывается в разделе 2 интерактивного справочного руководства. Прототипы функций со списком параметров и типом возвращаемого функцией значения, используемые в системных вызовах, а также связанные с ними директивы #define с определением констант представлены в файлах include. Нужные для каждого системного вызова дополнения будут подключаться с описаниями отдельных вызовов.

Библиотечные функции

Проблема использования низкоуровневых системных вызовов непосредственно для ввода и вывода заключается в том, что они могут быть очень неэффективны. Почему? Ответ может быть следующим.