UNIX 6th code reading - unix/sys2.c - やる気のないブログ(A boring diary)

はじめに

今回はunix/sys2.cを見ていきます。

各システムコールの説明はユーザマニュアルにも載っているので、合わせて目を通すことをお勧めします。

read( ), write( )

read( )(5711行目)はreadシステムコールのハンドラで、write( )(5720行目)はwriteシステムコールのハンドラです。その名の通りファイルの読み書き処理を行うシステムコールです。

readとwriteはデータの流れる方向が「ユーザ空間←ディスク」「ユーザ空間→ディスク」と逆なだけで、処理自体はほとんど共通です。

共通処理はrdwr( )という関数が行っています。read( )とwrite( )はそれぞれfile構造体のフラグであるFREAD, FWRITEを引数にしてrdwr( )を呼んでいるだけです。

read, writeシステムコールに対する引数は、ファイルディスクリプタ(u.u_ofile[ ]のindex)、読み書きするデータのアドレス、読み書きするバイト数の三つです。ファイルディスクリプタはr0で渡します。読み書きを始めるファイル中のオフセットはfile構造体が持っているので引数で渡す必要はありません。

rdwr( )

rdwr( )(5731行目)はreadシステムコールハンドラとwriteシステムコールハンドラの共通処理を行います。

適切なu.u_base, u.u_count, u.u_offset, u.u_segflgを設定してreadi( ), writei( )を呼びます。

システムコールの返り値として、userのr0には実際に読み書きが行われたbytes数が格納されます。ユーザプログラムはこの値を見ることで正しく読み書き処理が完了したかどうかを確認できます。

open( ), creat( )

open( )(5765行目)はファイルを開くopenシステムコールのハンドラで、creat( )(5781行目)はファイルを新規に作成するcreatシステムコールのハンドラです。

ファイルを開くのも新規に作成するのも、処理の内容がほとんど同じなので共通処理はopen1( )に任せています。

openシステムコールに対する引数は、ファイルのパス名、ファイルのモードです。ファイルのモードは読み、書き、読み書き両方、のいずれかを表します。モードに対応したパーミッションがファイル(inode)に与えられていない場合、エラーとなります。

creatシステムコールに対する引数は、ファイルのパス名、inodeのモードです。inodeのモードはinodeのi_modeに設定されます。ただし010000以上はクリアされてしまうので、例えばIFDIR(このinodeはディレクトリ)は設定できません(5687-5698行目参照)。ただし、パス名に対応するファイル・ディレクトリが既に存在していた場合、i_modeは上書きされません。該当ファイル・ディレクトリのサイズを0にするだけです。

open( )はnamei( )を使用し、パス名に対応したinodeの取得を試みます。取得に失敗すると何もせずreturnします。

creat( )もnamei( )を使用し、パス名に対応したinodeをの取得を試みます。inodeが取得できなかった場合は、そのファイルを新規に作成しようとしているという意味なので、makdnode( )を使って新たにinodeを生成します。このとき、inodeのi_modeはユーザから指定されたものに設定されます。namei( )でinodeが取得できた場合は、そのファイルが既に存在しているという意味なので、この後の処理でそのinodeを使用します。open( )と異なるのは、ファイルの中身がopen1( )の中で初期化されるという点です。

open1( )

open1( )(5804行目)はopenシステムコールハンドラとcreatシステムコールハンドラの共通処理を行います。

既存のファイルを開こうとしている場合(open時、もしくは、creatで既にファイルが存在していた場合)は、access( )を使ってアクセス権限があるかチェックします。

新規にファイルを作成しようとしている場合(creat時。既存のファイルの有無は気にしない)は、itrunc( )を使ってinodeと使用しているデータblock Noを初期化し、ファイルサイズを0にします。

その後、falloc( )を実行してu.u_ofile[ ]の空きエントリとfile[ ]の空きエントリを新規に割当てます。そして新規に割当てたfile[ ]のエントリから、namei( )で取得したinodeを指すようにします。

falloc( )の中で実行されるufalloc( )により、新規に割当てられたu.u_ofile[ ]のエントリのindexがuserのr0に格納されています。これがopen, creatシステムコールの返り値となります。

つまり

  fp = fopen( 'hoge.txt', 'r' ) ;

などと実行したとき、fpにはu.u_ofile[ ]のindex(0以上の整数値)が入ります。

このファイルディスクリプタを使用して、ファイルの読み書きやcloseを行います。カーネルはファイルディスクリプタから該当のu.u_ofile[ ]を見て、お目当てのfile構造体を取得することができるのです。

close( )

close( )(5846行目)はcloseシステムコールのハンドラです。openシステムコールやcreatシステムコールで開いたファイルを閉じるためのシステムコールです。

引数にファイルディスクリプタ(u.u_ofile[ ]のindex)が渡され、該当のエントリをNULLにします。

その後にclosef( )を呼び、u.u_ofile[ ]の該当エントリが指していたfile[ ]のエントリの参照カウンタをデクリメントします。

seek( )

seek( )(5861行目)はseekシステムコールのハンドラです。開いているファイルの読み書きオフセット(=file構造体のf_offset)を変更します。

当時のseekシステムコールは、block単位(=512bytes)でオフセットの増減を指定することが可能でした。

参考：ユーザマニュアルより引用

The file descriptor refers to a file open for reading or writing. The read (resp. write) pointer for the file is
set as follows:
if ptrname is 0, the pointer is set to offset.
if ptrname is 1, the pointer is set to its current location plus offset.
if ptrname is 2, the pointer is set to the size of the file plus offset.
if ptrname is 3, 4 or 5, the meaning is as above for 0, 1 and 2 except that the offset is multiplied by 512.
If ptrname is 0 or 3, offset is unsigned, otherwise it is signed.

現在の一般的なOSでは、block単位の指定はできないようです。

ファイルディスクリプタからu.u_ofile[ ]が指しているfile[ ]のエントリを取得し、file構造体のf_offsetの値を変更します。

link( )

link( )(5909行目)はlinkシステムコールのハンドラです。所謂ハードリンクを実現します。当時はシンボリックリンクは未だ存在しません。

linkによって、一つのファイル(inode)に対して、複数の名前をつけることができます。例えば、/var/hogeというファイルに対し/var/homuというリンクを張ると、そのファイルは/var/hoge, /var/homuのどちらのパス名でもアクセスすることができるようになります。

ハードリンクの場合は、新旧どちらの名前も同等の扱いをされ、例えば上記でいう/var/hogeを削除したとしても、/var/homuからまだ見られているのでファイル(inode+data)は削除されません。被リンク数(パス空間の中で、いくつの名前を持っているか)はinodeのi_nlinkで管理され、これが0にならない限りファイルは削除されません。

例：/var/hogeから/var/homuに対しハードリンクを張った時の/varディレクトリの状態

i_number	filename
0x10	hoge
0x10	homu

一方シンボリックリンクの場合は、上記で言う/var/hogeを消してしまうとファイル自体が削除され、/var/homuでファイルにアクセスしようとするとファイルがないと言われてしまいます。シンボリックリンクは主従関係があり、従の方はあくまで主のファイルを指しているだけと言えるでしょう。

ただしハードリンクには問題があります。デバイスやファイルシステムをまたがってリンクを張ることができません(inode numberが一意にならないから？ディレクトリのエントリはinode numberとファイル名しか保持しておらず、inode numberだけではどのデバイスのどのinodeを示すか判別できない？)。また、ディレクトリに対してリンクを張ることもできません。パス空間の中にループができてしまい、ファイル名の一貫性が崩れてしまうからです。これらの問題に対処するために、後にシンボリックリンクが生まれたようです。

(しかし、ソースを見るとsuper userならばディレクトリに対してリンクを張ることができるようです。最近は、OSによっては問題があるとしてsuper userでもディレクトリにリンクを張れないように仕様を変更しているようです)

linkシステムコールに対する引数は、被リンクファイルのパス名、新しい名前、です。

被リンクのパス名に該当するファイルが存在しなかったり、逆に、新しい名前に該当するファイルが既に存在しているとエラーとなります。また、被リンク数には上限があり127を超えるとエラーとなります。

unlink( )

unlink( )(3510行目)はunlinkシステムコールのハンドラです。unlink( )はunix/sys2.cではなくunix/sys4.cに記述されていますがlink( )と対比させながら読むと理解しやすいのでここで扱います。

unlinkシステムコールはファイルの削除を行います。ディレクトリはsuper userでないと削除することが出来ません。

(一般ユーザはどうやってディレクトリを削除する？v6のlibc相当のrmdir.sを見たところ、普通にunlinkシステムコールを呼んでいるように見える。当時はシステムとしてsuper userでないとディレクトリを削除できない仕様になっていた？？)

ファイルの削除は、ディレクトリ中の該当エントリのinode numberを0にすることで実現されます。

例

あるディレクトリの"hoge.txt"というファイルを削除する場合

削除前

i_number	file name
0x10	mado.txt
0x16	homu.txt
0x20	hoge.txt
0x35	fuga.dat

削除後

i_number	file name
0x10	mado.txt
0x16	homu.txt
0x00	hoge.txt
0x35	fuga.dat

また、inodeのi_nlinkをデクリメントします。i_nlinkが0になるときそのinodeは解放され、使用していたデータのblock Noも解放されます。

ただし、データの内容自体はクリアされずにディスクにそのまま残るということに注意してください。

つまり、ファイルを削除するということは、データの内容自体に辿る術をなくすことである、と言えるかもしれません。

こちらのエントリで、実験で実際にそのようになることを確かめています。

mknod( )

mknod( )(5962行目)はmknodシステムコールのハンドラです。

ディレクトリや特別なファイルを作成します。最近のOSではディレクトリ作成用のmkdirというシステムコールを別に持っているようです。

このシステムコールはsuper userのみが実行できます。一般ユーザが実行すると何もせずエラーとなります。

(unlinkと同じ話で、一般ユーザはどうやってディレクトリを作成する？)

mknodシステムコールの引数は、作成するファイル・ディレクトリのパス名、モード、アドレスです。モードはinodeのi_modeに設定されます。このパラメータに「ディレクトリである」というフラグを立てることで、ディレクトリを作成することができます。creatシステムコールと異なり、上位bitはクリアされません。これがシステムの中で唯一のディレクトリ作成方法です。

sslep( )

sslep( )(5979行目)はsleepシステムコールのハンドラです。

一定時間プログラムの実行を止めます。

このハンドラは、カーネルの中で使用されるsleep( )とは異なるので注意してください。

sslep( )(sleepシステムコール)は秒数を引数に取り、指定された秒数だけプログラムの実行を止めます。

一方、sleep( )はカーネル中で資源待ちの時などに呼ばれる関数で、実行中のプロセスを寝させます(止めます)。プロセスを起こす(再起動させる)には、別のプロセスがwakeup( )を呼ぶ必要があります。

sslep( )はtoutグローバル変数に再起動する時刻を格納し、sleep( )を呼んで寝ます。これを起こすのはclock( )です。システムのクロックと同期し、定期的にclock( )が呼ばれ、その中でtoutと現在時刻を比較し一致していたらwakeup( )で起こします。

clock( )について書いたエントリを見直すことをお勧めします。

コードメモ

read( )

5711 : FREADを引数にrdwr( )を呼んでいるだけ

write( )

5722 : FWRITEを引数にrdwr( )を呼んでいるだけ