Глава 5
Администраторы ресурсов
Что такое администратор ресурсов?
В данной главе мы рассмотрим все, что вы должны знать для самостоятельного написания администратора ресурса.
Администратор ресурса — это просто программа с рядом четко определенных характеристик. Эта программа по-разному называется в различных операционных системах — «драйвер», «устройство», «драйвер устройства», «администратор ввода/вывода», «файловая система», и т.п. Однако, во всех случаях предназначение этой программы (мы будем называть ее просто «администратором ресурса») заключается в том, чтобы предоставить абстрактную форму некоего сервиса.
Также, поскольку QNX/Neutrino является POSIX-совместимой ОС, основу предоставляемой абстракции составляют спецификации POSIX.
Примеры администраторов ресурсов
Прежде чем уйти в тонкости проблемы, давайте проанализируем пару примеров и увидим, как в них «абстрагируются» сервисы. Рассмотрим реальный аппаратный блок (последовательный порт) и кое-что более абстрактное (файловую систему).
В типовой системе обычно существует какой-нибудь способ программирования обмена информацией по последовательному интерфейсу типа RS-232. Этот интерфейс составляют ряд аппаратных устройств, включая микросхему UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter — универсальный асинхронный приемопередатчик), которая умеет преобразовывать параллельные данные от центрального процессора в последовательный поток и обратно.
В этом случае сервисом, предоставляемым соответствующим администратором ресурса, будет возможность передачи и приема символьных данных через последовательный порт.
Мы говорим, что имеет место «абстрагирование» сервиса, потому что клиентская программа (та, которая непосредственно использует сервис) не знает (да и незачем ей) о микросхеме UART и ее реализации. Все, что знает клиентская программа, — что для передачи символа она должна вызвать функцию fprintf() а для приема символов — функцию fgets(). Обратите внимание, что взаимодействия с последовательным портом мы использовали стандартные функции POSIX.
В качестве другого примера администратора ресурса рассмотрим файловую систему. Она состоит из ряда взаимодействующих модулей: собственно файловой системы, драйвера блочного ввода/вывода и дискового драйвера.
Предлагаемый здесь сервис состоит в способности считывать и записывать символы на некоторый носитель. Абстракция здесь та же самая, что и в предыдущем примере с последовательным портом — клиентская программа по-прежнему может использовать те же самые вызовы функций (например, fprintf() и fgets()) для доступа к носителю. Фактически, клиент действительно не знает или даже не должен знать, с каким конкретно администратором ресурсов он имеет дело.
Характеристики администраторов ресурсов
Как мы увидели в приведенных выше примерах, ключом к универсальности администраторов ресурсов является возможность использования стандартных функций POSIX — мы ведь не использовали никакие «специальные» функции, когда общались с последовательным портом. А если вам понадобится сделать нечто «особенное», характерное только для применяемого вами устройства? Например, операция настройки скорости обмена по последовательному порту в бодах специфична для администратора последовательного порта, но абсолютно бессмысленна для администратора файловой системы. Аналогично, операция по позиционированию в файле с помощью функции lseek() имеет смысл для файловой системы, но является несодержательной для последовательного порта. В POSIX эта проблема решается просто. Некоторые функции — например, lseek() — при попытке применить их к устройству, которое их не поддерживает, просто возвращают код ошибки. Для реализации функций, специфичных для каждого устройства, в POSIX предусмотрена функция управления устройствами, devctl(). Если устройство не понимает команду, передаваемую ему посредством devctl(), оно просто возвращают код ошибки, аналогично устройствам, которые не понимают функцию lseek().
Поскольку мы уже упомянули функции lseek() и devctl() как общеупотребительные, следует заметить, что администраторы ресурсов обычно поддерживают весь спектр функций, работающих с дескрипторами файлов (или FILE* stream).
Это естественно приводит нас к выводу о том, что администраторы ресурсов будут работать почти исключительно с вызовами дескриптор-ориентированных функций. Поскольку QNX/Neutrino — операционная система, организованная на основе обмена сообщениями, из этого следует, что вызовы POSIX-функций транслируются в сообщения, которые затем пересылаются администраторам ресурсов.
Именно эта трансляция вызовов POSIX в сообщения позволяет нам отвязать клиентуру от администраторов ресурсов. Все, что должен уметь делать администратор ресурса, — это обрабатывать ряд строго определенных сообщений. Все, что должен уметь делать клиент, — это генерировать эти самые строго определенные сообщения, которые администратор ресурса ожидает принимать и обрабатывать.
Поскольку взаимодействие между клиентурой и администраторами ресурсов основано на обмене сообщениями, имеет смысл делать этот «передаточный уровень» как можно «тоньше». Например, когда клиент выполняет функцию open() и получает в ответ дескриптор файла, этот дескриптор фактически является идентификатором соединения! Данный идентификатор соединения (он же дескриптор файла) используется затем функциями клиентской Си-библиотеки (например, функцией read()) при создании и отправке сообщения для администратора ресурсов.
Взгляд со стороны клиента
Мы уже намекнули, что ожидает клиент. Он ожидает интерфейс на основе файловых дескрипторов с применением стандартных функций POSIX.
В действительности «под колпаком» происходит еще кое-что.
Например, как в действительности клиент соединяется с соответствующим администратором ресурса? Что происходит в случае объединённых файловых систем (когда несколько файловых систем ответственны за то же самое пространство имен)? Как обрабатываются каталоги?
Поиск сервера
Первое, что делает клиент, — это вызывает open(), чтобы получить дескриптор файла. (Заметьте, что если клиент вместо этого вызывает функцию более высокого уровня — например, fopen() — утверждение остается справедливым, поскольку fopen() в конечном счете вызывает open()).
Реализация функции open() в Си-библиотеке создает сообщение, которое затем пересылается администратору процессов (procnto).
Администратор процессов отвечает за поддержание информации о пространстве имен путей. Данная информация представляет собой древовидную структуру имен путей, с которой связаны дескрипторы узлов (node descriptors), идентификаторы процессов (process IDs), идентификаторы каналов (channel IDs) и обработчики (handles):
Пространство имен путей в QNX/Neutrino.
Отметьте, что на представленном выше рисунке и в последующих описаниях для обозначения администратора ресурса, который реализует файловую систему QNX4, я использовал имя fsys-qnx4. В действительности все немного сложнее, потому что драйверы файловой системы представляют собой группы связанных между собой динамических библиотек (DLL), так что никакой программы с именем fsys-qnx4 на самом деле не существует; мы просто используем это имя в качестве «заполнителя» для компонента файловой системы.