Потоки данных в UNIX

Так как символьные специальные файлы имеют дело с символьными потоками, а не перемещают блоки данных между памятью и диском, они не пользуются бу­ферным кэшем. Вместо этого в первых версиях системы UNIX каждый драйвер символьного устройства выполнял всю работу, требуемую для данного устройства. Однако с течением времени стало ясно, что многие драйверы, например програм­мы буферизации, управления потоком и сетевые протоколы, дублировали проце­дуры друг друга. Поэтому для структурирования драйверов символьных устройств и придания им модульности было разработано два решения.

Первое решение, реализованное в системе BSD, основано на структурах данных, при­сутствующих в классических системах UNIX и называемых С-списками. Каждый С-список представляет собой блок размером до 64 символов плюс счетчик и указатель на следующий блок. Символы, поступающие с терминала или любого другого символьного устройства, буферизируются в цепочках таких блоков. Когда пользовательский процесс считывает данные из /dev/tty (то есть из стандартного входного потока), символы не передаются процессу напрямую из С-списков. Вместо этого они пропускаются через процедуру, расположенную в ядре и называемую дисциплиной линии связи. Дисциплина линии связи ра­ботает как фильтр, принимая необработанный поток символов от драйвера терми­нала, обрабатывая его и формируя то, что называется обработанным символьным потоком. В обработанном потоке выполняются операции локального строково­го редактирования (например, удаляются отмененные пользователем символы и строки), а также выполняются другие специальные операции обработки. Обработанный поток передается процессу. Однако если процесс желает воспринимать каждый символ, введенный пользователем, он может принимать необработанный поток, минуя дисциплину линии связи. Вывод работает аналогично, заменяя табуляторы пробелами, добавляя символы-заполнители и т. д. Как и входной поток, выходной символьный поток может быть пропущен через дисциплину линии связи (обработанный режим) или мино­вать ее (необработанный режим). Необработанный режим особенно полезен при отправке двоичных данных на другие машины по линии последовательной передачи или для графических интерфейсов пользователя. Здесь не требуется ни­какого преобразования.

Второе решение реализовано в системе System V под названием потоков данных. Потоки данных основаны на возможности динамически соединять процесс пользователя с драйвером, а также динамически, во время исполнения, вставлять модули обра­ботки в поток данных. В некотором смысле поток представляет собой работающий в ядре аналог каналов в пространстве пользователя.

У потока данных всегда есть голова потока у вершины и соединение с драйве­ром у основания. В поток может быть вставлено столько модулей, сколько необ­ходимо. Обработка может происходить в обоих направлениях, так что каждому модулю может понадобиться одна секция для чтения (из драйвера) и одна секция для записи (в драйвер). Когда процесс пользователя пишет данные в поток, про­грамма в голове потока интерпретирует системный вызов и запаковывает данные в буферы потока, передаваемые от модуля к модулю вниз, при этом каждый мо­дуль выполняет соответствующие преобразования. У каждого модуля есть очередь чтения и очередь записи, так что буферы обрабатываются в правильном порядке. У модулей есть строго определенные интерфейсы, определяемые инфраструкту­рой потока, что позволяет объединять вместе несвязанные модули.

Важное свойство потоков данных – мультиплексирование. Мультиплексный модуль может взять один по­ток и расщепить его на несколько потоков или, наоборот, объединить несколько потоков в единый поток.

7.5. Файловые системы UNIX