Wir haben bereits einfache Arbeiten mit Dateien gemacht: Wir wissen wie wir sie öffnen und schliessen, oder wie man sie mit Hilfe von Buffern liest und schreibt. Aber UNIX® bietet viel mehr Funktionalität wenn es um Dateien geht. Wir werden einige von ihnen in dieser Sektion untersuchen und dann mit einem netten Datei Konvertierungs Werkzeug abschliessen.
In der Tat, Lasst uns am Ende beginnen, also mit dem Datei Konvertierungs Werkzeug. Es macht Programmieren immer einfacher, wenn wir bereits am Anfang wissen was das End Produkt bezwecken soll.
Eines der ersten Programme die ich für UNIX® schrieb war tuc, ein Text-Zu-UNIX® Datei Konvertierer. Es konvertiert eine Text Datei von einem anderen Betriebssystem zu einer UNIX® Text Datei. Mit anderen Worten, es ändert die verschiedenen Arten von Zeilen Begrenzungen zu der Zeilen Begrenzungs Konvention von UNIX®. Es speichert die Ausgabe in einer anderen Datei. Optional konvertiert es eine UNIX® Text Datei zu einer DOS Text Datei.
Ich habe tuc sehr oft benutzt, aber nur von irgendeinem anderen OS nach UNIX® zu konvertieren, niemals anders herum. Ich habe mir immer gewünscht das die Datei einfach überschrieben wird anstatt das ich die Ausgabe in eine andere Datei senden muss. Meistens, habe ich diesen Befehl verwendet:
%
tuc myfile tempfile
%
mv tempfile myfile
Es wäre schö ein ftuc zu haben, also, fast tuc, und es so zu benutzen:
%
ftuc myfile
In diesem Kapitel werden wir dann, ftuc in Assembler schreiben (das Original tuc ist in C), und verschiedene Datei-Orientierte Kernel Dienste in dem Prozess studieren.
Auf erste Sicht, ist so eine Datei Konvertierung sehr simpel: Alles was du zu tun hast, ist die Wagenrückläufe zu entfernen, richtig?
Wenn du mit ja geantwortet hast, denk nochmal darüber nach: Dieses Vorgehen wird die meiste Zeit funktionieren (zumindest mit MSDOS Text Dateien), aber gelegentlich fehlschlagen.
Das Problem ist das nicht alle UNIX® Text Dateien ihre Zeilen mit einer Wagen Rücklauf / Zeilenvorschub Sequenz beenden. Manche benutzen Wagenrücklauf ohne Zeilenvorschub. Andere kombinieren mehrere leere Zeilen in einen einzigen Wagenrücklauf gefolgt von mehreren Zeilenvorschüben. Und so weiter.
Ein Text Datei Konvertierer muss dann also in der Lage sein mit allen möglichen Zeilenenden umzugehen:
Wagenrücklauf / Zeilenvorschub
Wagenrücklauf
Zeilenvorschub / Wagenrücklauf
Zeilenvorschub
Es sollte außerdem in der Lage sein mit Dateien umzugehen die irgendeine Art von Kombination der oben stehenden Möglichkeiten verwendet. (z.B., Wagenrücklauf gefolgt von mehreren Zeilenvorschüben).
Das Problem wird einfach gelöst in dem man eine Technik benutzt die sich Endlicher Zustandsautomat nennt, ursprünglich wurde sie von den Designern digitaler elektronischer Schaltkreise entwickelt. Eine Endlicher Zustandsautomat ist ein digitaler Schaltkreis dessen Ausgabe nicht nur von der Eingabe abhängig ist sondern auch von der vorherigen Eingabe, d.h., von seinem Status. Der Mikroprozessor ist ein Beispiel für einen Endlichen Zustandsautomaten : Unser Assembler Sprach Code wird zu Maschinensprache übersetzt in der manche Assembler Sprach Codes ein einzelnes Byte produzieren, während andere mehrere Bytes produzieren. Da der Microprozessor die Bytes einzeln aus dem Speicher liest, ändern manche nur seinen Status anstatt eine Ausgabe zu produzieren. Wenn alle Bytes eines OP Codes gelesen wurden, produziert der Mikroprozessor eine Ausgabe, oder ändert den Wert eines Registers, etc.
Aus diesem Grund, ist jede Software eigentlich nur eine Sequenz von Status Anweisungen für den Mikroprozessor. Dennoch, ist das Konzept eines Endlichen Zustandsautomaten auch im Software Design sehr hilfreich.
Unser Text Datei Konvertierer kann als Endlicher Zustandsautomat mit 3 möglichen Stati desgined werden. Wir könnten diese von 0-2 benennen, aber es wird uns das Leben leichter machen wenn wir ihnen symbolische Namen geben:
ordinary
cr
lf
Unser Programm wird in dem ordinary Status starten. Während dieses Status, hängt die Aktion des Programms von seiner Eingabe wie folgt ab:
Wenn die Eingabe etwas anderes als ein Wagenrücklauf oder einem Zeilenvorschub ist, wird die Eingabe einfach nur an die Ausgabe geschickt. Der Status bleibt unverändert.
Wenn die Eingabe ein Wagenrücklauf ist, wird der Status auf cr gesetzt. Die Eingabe wird dann verworfen, d.h., es entsteht keine Ausgabe.
Wenn die Eingabe ein Zeilenvorschub ist, wird der Status auf lf gesetzt. Die Eingabe wird dann verworfen.
Wann immer wir in dem cr Status sind, ist das weil die letzte Eingabe ein Wagenrücklauf war, welcher nicht verarbeitet wurde. Was unsere Software in diesem Status macht hängt von der aktuellen Eingabe ab:
Wenn die Eingabe irgendetwas anderes als ein Wagenrücklauf oder ein Zeilenvorschub ist, dann gib einen Zeilenvorschub aus, dann gib die Eingabe aus und dann ändere den Status zu ordinary.
Wenn die Eingabe ein Wagenrücklauf ist, haben wir zwei (oder mehr) Wagenrückläufe in einer Reihe. Wir verwerfen die Eingabe, wir geben einen Zeilenvorschub aus und lassen den Status unverändert.
Wenn die Eingabe ein Zeilenvorschub ist, geben wir den Zeilenvorschub aus und ändern den Status zu ordinary. Achte darauf, dass das nicht das gleiche wie in dem Fall oben drüber ist – würden wir versuchen beide zu kombinieren, würden wir zwei Zeilenvorschübe anstatt einen ausgeben.
Letztendlich, sind wir in dem lf Status nachdem wir einen Zeilenvorschub empfangen haben der nicht nach einem Wagenrücklauf kam. Das wird passieren wenn unsere Datei bereits im UNIX® Format ist, oder jedesmal wenn mehrere Zeilen in einer Reihe durch einen einzigen Wagenrücklauf gefolgt von mehreren Zeilenvorschüben ausgedrückt wird, oder wenn die Zeile mit einer Zeilenvorschub / Wagenrücklauf Sequenz endet. Wir sollten mit unserer Eingabe in diesem Status folgendermaßen umgehen:
Wenn die Eingabe irgendetwas anderes als ein Wagenrücklauf oder ein Zeilenvorschub ist, geben wir einen Zeilenvorschub aus, geben dann die Eingabe aus und ändern dann den Status zu ordinary. Das ist exakt die gleiche Aktion wie in dem cr Status nach dem Empfangen der selben Eingabe.
Wenn die Eingabe ein Wagenrücklauf ist, verwerfen wir die Eingabe, geben einen Zeilenvorschub aus und ändern dann den Status zu ordinary.
Wenn die Eingabe ein Zeilenvorschub ist, geben wir den Zeilenvorschub aus und lassen den Status unverändert.
Der obige Endliche Zustandsautomat funktioniert für die gesamte Datei, aber lässt die Möglichkeit das die letzte Zeile ignoriert wird. Das wird jedesmal passieren wenn die Datei mit einem einzigen Wagenrücklauf oder einem einzigen Zeilenvorschub endet. Daran habe ich nicht gedacht als ich tuc schrieb, nur um festzustellen, daß das letzte Zeilenende gelegentlich weggelassen wird.
Das Problem wird einfach dadurch gelöst, indem man den Status überprüft nachdem die gesamte Datei verarbeitet wurde. Wenn der Status nicht ordinary ist, müssen wir nur den letzten Zeilenvorschub ausgeben.
Nachdem wir unseren Algorithmus nun als einen Endlichen Zustandsautomaten formuliert haben, könnten wir einfach einen festgeschalteten digitalen elektronischen Schaltkreis (einen "Chip") designen, der die Umwandlung für uns übernimmt. Natürlich wäre das sehr viel teurer, als ein Assembler Programm zu schreiben.
Weil unser Datei Konvertierungs Programm
möglicherweise zwei Zeichen zu einem kombiniert,
müssen wir einen Ausgabe Zähler verwenden. Wir
initialisieren den Zähler zu 0
und erhöhen ihn jedes mal wenn wir ein Zeichen an die
Ausgabe schicken. Am Ende des Programms, wird der
Zähler uns sagen auf welche Grösse wir die Datei
setzen müssen.
Der schwerste Teil beim arbeiten mit einer Endlichen Zustandsmaschine ist das analysieren des Problems und dem ausdrücken als eine Endliche Zustandsmaschine. That geschafft, schreibt sich die Software fast wie von selbst.
In eine höheren Sprache, wie etwa C, gibt es mehrere
Hauptansätze. Einer wäre ein switch
Angabe zu verwenden die
auswählt welche Funktion genutzt werden soll. Zum
Beispiel,
Ein anderer Ansatz ist es ein Array von Funktions Zeigern zu benutzen, etwa wie folgt:
Noch ein anderer ist es aus state
einen
Funktions Zeiger zu machen und ihn zu der entsprechenden
Funktion zeigen zu lassen:
Das ist der Ansatz den wir in unserem Programm verwenden
werden, weil es in Assembler sehr einfach und schnell geht.
Wir werden einfach die Adresse der Prozedur in EBX
speichern und dann einfach das
ausgeben:
Das ist wahrscheinlich schneller als die Adresse im Code zu hardcoden weil der Mikroprozessor die Adresse nicht aus dem Speicher lesen muss—es ist bereits in einer der Register gespeichert. Ich sagte wahrscheinlich weil durch das Cachen neuerer Mikroprozessoren beide Varianten in etwa gleich schnell sind.
Weil unser Programm nur mit einzelnen Dateien funktioniert, können wir nicht den Ansatz verwedenden der zuvor funktioniert hat, d.h., von einer Eingabe Datei zu lesen und in eine Ausgabe Datei zu schreiben.
UNIX® erlaubt es uns eine Datei, oder einen Bereich einer
Datei, in den Speicher abzubilden. Um das zu tun, müssen
wir zuerst eine Datei mit den entsprechenden Lese/Schreib
Flags öffnen. Dann benutzen wir den mmap
system call um sie in den
Speicher abzubilden. Ein Vorteil von mmap
ist, das es automatisch mit
virtuellem Speicher arbeitet: Wir können mehr von der
Datei im Speicher abbilden als wir überhaupt
physikalischen Speicher zur Verfügung haben, noch immer
haben wir aber durch normale OP Codes wie mov
, lods
, und stos
Zugriff darauf. Egal welche
Änderungen wir an dem Speicherabbild der Datei vornehmen,
sie werden vom System in die Datei geschrieben. Wir
müssen die Datei nicht offen lassen: So lange sie
abgebildet bleibt, können wir von ihr lesen und in sie
schreiben.
Ein 32-bit Intel Mikroprozessor kann auf bis zu vier Gigabyte Speicher zugreifen – physisch oder virtuell. Das FreeBSD System erlaubt es uns bis zu der Hälfte für die Datei Abbildung zu verwenden.
Zur Vereinfachung, werden wir in diesem Tutorial nur Dateien konvertieren die in ihrere Gesamtheit im Speicher abgebildet werden können. Es gibt wahrscheinlich nicht all zu viele Text Dateien die eine Grösse von zwei Gigabyte überschreiben. Falls unser Programm doch auf eine trifft, wird es einfach eine Meldung anzeigen mit dem Vorschlag das originale tuc statt dessen zu verwenden.
Wenn du deine Kopie von
syscalls.master
überprüfst,
wirst du zwei verschiedene Systemaufrufe
finden die sich mmap
nennen. Das kommt von der Entwicklung von UNIX®: Es gab das
traditionelle BSD mmap
, Systemaufruf 71. Dieses wurde
durch das POSIX® mmap
ersetzt, Systemaufruf 197. Das
FreeBSD System unterstützt beide, weil ältere
Programme mit der originalen BSD Version
geschrieben wurden. Da neue Software die
POSIX® Version nutzt, werden wir diese
auch verwenden.
Die syscalls.master
Datei zeigt die
POSIX® Version wie folgt:
Das weicht etwas von dem ab was mmap(2) sagt. Das ist weil mmap(2) die C Version beschreibt.
Der Unterschiede liegt in dem long pad
Argument, welches in der C Version nicht vorhanden ist. Wie
auch immer, der FreeBSD Systemaufruf fügt einen 32-bit
Block ein nachdem es ein 64-Bit Argument auf den Stack
gepush
t hat. In diesem
Fall, ist off_t
ein 64-Bit Wert.
Wenn wir fertig sind mit dem Arbeiten einer im Speicher
abgebildeten Datei, entfernen wir das Speicherabbild mit dem
munmap
Systemaufruf:
Für eine detailliert Behandlung von mmap
, sieh in W. Richard Stevens'
Unix Network Programming, Volume 2, Chapter 12
nach.
Weil wir mmap
sagen
müssen wie viele Bytes von Datei wir im Speicher abbilden
wollen und wir außerdem die gesamte Datei abbilden wollen,
müssen wir die Grösse der Datei feststellen.
Wir können den fstat
Systemaufruf verwenden um alle
Informationen über eine geöffnete Datei zu erhalten
die uns das System geben kann. Das beinhaltet die Datei
Grösse.
Und wieder, zeigt uns syscalls.master
zwei Versionen von fstat
,
eine traditionelle (Systemaufruf 62), und eine
POSIX® (Systemaufruf 189) Variante.
Natürlich, verwenden wir die POSIX®
Version:
Das ist ein sehr unkomplizierter Aufruf: Wir übergeben ihm die Adresse einer stat Structure und den Deskriptor einer geöffneten Datei. Es wird den Inhalt der stat Struktur ausfüllen.
Ich muss allerdings sagen, das ich versucht habe die
stat Struktur in dem
.bss
Bereich zu deklarieren, und
fstat
mochte es nicht:
Es setzte das Carry Flag welches einen Fehler anzeigt.
Nachdem ich den Code veränderte so dass er die Struktur
auf dem Stack anlegt, hat alles gut funktioniert.
Dadurch das unser Programm Wagenrücklauf/Zeilenvorschub-Sequenzen in einfache Zeilenvorschübe zusammenfassen könnte, könnte unsere Ausgabe kleiner sein als unsere Eingabe. Und da wir die Ausgabe in dieselbe Datei um, aus der wir unsere Eingabe erhalten, müssen wir eventuell die Dateigrösse anpassen.
Der Systemaufruf ftruncate
erlaubt uns, dies zu tun.
Abgesehen von dem etwas unglücklich gewählten Namen
ftruncate
können wir
mit dieser Funktion eine Datei vergrössern, oder
verkleinern.
Und ja, wir werden zwei Versionen von ftruncate
in
syscalls.master
finden, eine ältere
(130) und eine neuere (201). Wir werden die neuere Version
verwenden:
Beachten Sie bitte, dass hier wieder int
pad
verwendet wird.
Wir wissen jetzt alles nötige, um
ftuc zu schreiben. Wir beginnen,
indem wir ein paar neue Zeilen der Datei
system.inc
hinzufügen. Als erstes
definieren wir irgendwo am Anfang der Datei einige Konstanten
und Strukturen:
Wir definieren die neuen Systemaufrufe:
Wir fügen die Makros hinzu:
Und hier ist unser Code:
Verwenden Sie dieses Programm nicht mit Dateien, die
sich auf Datenträgern befinden, welche mit
MS-DOS® oder Windows® formatiert
wurden. Anscheinend gibt es im Code von FreeBSD einen
subtilen Bug, wenn mmap
auf solchen Datenträgern verwendet wird: Wenn die Datei
eine bestimmte Grösse überschreitet, füllt
mmap
den Speicher mit
lauter Nullen, und überschreibt damit anschliessend den
Dateiinhalt.
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