Уильям Стивенс - UNIX: взаимодействие процессов

• Название: UNIX: взаимодействие процессов
• Автор: Уильям Стивенс
• Жанр: Программирование
• Год: 2003
• ISBN: 5-318-00534-9

Книга написана известным экспертом по операционной системе UNIX и посвящена описанию одной из форм межпроцессного взаимодействия, IPC, с использованием которой создается большинство сложных программ. В ней описываются четыре возможности разделения решаемых задач между несколькими процессами или потоками одного процесса: передача сообщений, синхронизация, разделяемая память, удаленный вызов процедур.

Книга содержит большое количество иллюстрирующих примеров и может использоваться как учебник по IPC, и как справочник для опытных программистов.

---

35   if (fd < 0) {

36    if (errno == EEXIST && (oflag & O_EXCL) == 0)

37     goto exists; /* уже существует, OK */

38    else

39     return((mymqd_t) –1);

40   }

41   created = 1;

42   /* при создании файла он инициализируется */

43   if (attr == NULL)

44    attr = &defattr;

45   else {

46    if (attr->mq_maxmsg <– 0 || attr->mq_msgsize <= 0) {

47     errno = EINVAL;

48     goto err;

49    }

50   }

Обработка списка аргументов переменного размера

29-32 Функция может быть вызвана либо с двумя, либо с четырьмя аргументами в зависимости от того, указан ли флаг O_CREAT. Если флаг указан, третий аргумент имеет тип mode_t, а это простой системный тип, являющийся одним из целых типов. При этом мы столкнемся с проблемой в BSD/OS, где этот тип данных определен как unsigned short (16 бит). Поскольку целое в этой реализации занимает 32 бита, компилятор С увеличивает аргумент этого типа с 16 до 32 бит, потому что все короткие целые в списке аргументов увеличиваются до обычных целых. Но если мы укажем mode_t при вызове va_arg, он пропустит 16 бит аргумента в стеке, если этот аргумент был увеличен до 32 бит. Следовательно, мы должны определить свой собственный тип данных, va_mode_t, который будет целым в BSD/OS и типом mode_t в других системах. Эту проблему с переносимостью решают приведенные ниже строки нашего заголовка unpipc.h (листинг В.1):

#ifdef __bsdi__

#define va_mode_t int

#else

#define va_mode_t mode_t

#endif

30 Мы сбрасываем бит user-execute (S_IXUSR) в переменной mode по причинам, которые будут вскоре раскрыты.

Создание новой очереди сообщений

33-34 Создается обычный файл с именем, указанным при вызове функции, и устанавливается бит user-execute. 

Обработка потенциальной ситуации гонок

35-40 Если бы при указании флага O_CREAT мы просто открыли файл, отобразили его содержимое в память и проинициализировали отображенный файл (как будет описано ниже), у нас возникла бы ситуация гонок. Очередь сообщений инициализируется mq_open только в том случае, если вызывающий процесс указывает флаг O_CREAT и очередь сообщений еще не существует. Это означает, что нам нужно каким-то образом определять, существует она или нет. Для этого при открытии файла для последующего отображения в память мы всегда указываем флаг O_EXCL. Возвращение ошибки EEXIST функцией open является ошибкой для mq_open только в том случае, если при вызове был указан флаг O_EXCL. В противном случае при возвращении функцией open ошибки EEXIST мы делаем вывод, что файл уже существует, и переходим к листингу 5.19, как если бы флаг O_CREAT вовсе не был указан.

Ситуация гонок может возникнуть потому, что использование отображаемого в память файла для реализации очереди сообщений требует двух шагов при инициализации очереди: сначала файл должен быть создан функцией open, а затем его содержимое должно быть проинициализировано. Проблема возникает, если два потока (одного или различных процессов) вызывают mq_open приблизительно одновременно. Один из потоков может создать файл, после чего управление будет передано системой второму потоку, прежде чем первый завершит инициализацию файла. Второй поток обнаружит, что файл уже существует (вызвав open с флагом O_EXCL), и приступит к использованию очереди сообщений.

Мы используем бит user-execute для указания того, был ли проинициализирован файл с очередью сообщений. Этот бит устанавливается только тем потоком, который создает этот файл (флаг O_EXCL позволяет определить этот поток); этот поток инициализирует файл с очередью сообщений, а затем сбрасывает бит user-execute.

Аналогичная ситуация может возникнуть в листингах 10.28 и 10.37.

Проверка атрибутов

42-50 Если при вызове в качестве последнего аргумента передан нулевой указатель, очередь сообщений инициализируется со значениями атрибутов по умолчанию: 128 сообщений в очереди и 1024 байта на сообщение. Если атрибуты указаны явно, мы проверяем, что mq_maxmsg и mq_msgsize имеют положительные значения.

Вторая часть функции mq_open приведена в листинге 5.18. Она завершает инициализацию новой очереди сообщений.

Листинг 5.18. Вторая часть функции mq_open: инициализация новой очереди

//my_pxmsg_mmap/mq_open.с

51    /* вычисление и установка размера файла */

52    msgsize = MSGSIZE(attr->mq_msgsize);

53    filesize = sizeof(struct mymq_hdr) + (attr->mq_maxmsg *

54     (sizeof(struct mymsg_hdr) + msgsize));

55    if (lseek(fd, filesize – 1, SEEK_SET) == –1)

56     goto err;

57    if (write(fd, "", 1) == –1)

58     goto err;

59    /* отображение файла в память */

60    mptr = mmap(NULL, filesize, PROT_READ | PROT_WRITE,

61     MAP_SHARED, fd, 0);

62    if (mptr == MAP_FAILED)

63     goto err;

64    /* выделение структуры mymq_info{} для очереди */

65    if ((mqinfo = mallос (sizeof (struct mymq_info))) == NULL)

66     goto err;

67    mqinfo->mqi_hdr = mqhdr = (struct mymq_hdr *) mptr;

68    mqinfo->mqi_magic = MQI_MAGIC;

69    mqinfo->mqi_flags = nonblock;

70    /* инициализация заголовка в начале файла */

71    /* создание списка пустых сообщений */

72    mqhdr->mqh_attr.mq_flags = 0;

73    mqhdr->mqh_attr.mq_maxmsg = attr->mq_maxmsg;

74    mqhdr->mqh_attr.mq_msgsize = attr->mq_msgsize;

75    mqhdr->mqh_attr.mq_curmsgs = 0;

76    mqhdr->mqh_nwait = 0;

77    mqhdr->mqh_pid = 0;

78    mqhdr->mqh_head = 0;

79    index = sizeof(struct mymq_hdr);

80    mqhdr->mqh_free = index;

81    for (i = 0; i < attr->mq_maxmsg – 1; i++) {

82     msghdr = (struct mymsg_hdr *) &mptr[index];

83     index += sizeof(struct mymsg_hdr) + msgsize;

84     msghdr->msg_next = index;

85    }

86    msghdr = (struct mymsg_hdr *) &mptr[index];

87    msghdr->msg_next = 0; /* конец списка пустых сообщений */

88    /* инициализация взаимного исключения и условной переменной */

89    if ((i = pthread_mutexattr_init(&mattr)) != 0)

90     goto pthreaderr;

91    pthread_mutexattr_setpshared(&mattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);

92    i = pthread_mutex_init(&mqhdr->mqh_lock, &mattr);

93    pthread_mutexattr_destroy(&mattr); /* обязательно нужно удалить */

94    if (i != 0)

95     goto pthreaderr:

96    if ((i = pthread_condattr_init(&cattr)) != 0)

97     goto pthreaderr;

98    pthread_condattr_setpshared(&cattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);

99    i = pthread_cond_init(&mqhdr->mqh_wait, &cattr);

100   pthread_condattr_destroy(&cattr); /* обязательно нужно удалить */

101   if (i != 0)

102    goto pthreaderr;

103   /* инициализация завершена, снимаем бит user-execute */

104   if (fchmod(fd, mode) == –1)

105    goto err;

106   close(fd);

107   return((mymqd_t) mqinfo);

108  }

Установка размера файла

51-58 Вычисляется размер сообщения, который затем округляется до кратного размеру длинного целого. Также в файле отводится место для структуры mq_hdr в начале файла и msghdr в начале каждого сообщения (рис. 5.2). Размер вновь созданного файла устанавливается функцией lseek и записью одного байта со значением 0. Проще было бы вызвать ftruncate (раздел 13.3), но у нас нет гарантий, что это сработало бы для увеличения размера файла.

Отображение файла в память

59-63 Файл отображается в память функцией mmap.

Выделение памяти под структуру mq_info

64-66 При каждом вызове mq_open создается отдельный экземпляр mq_infо. Эта структура после создания инициализируется.

Инициализация структуры mq_hdr

67-87 Инициализируется структура mq_hdr. Заголовок связного списка сообщений (mqh_head) инициализируется нулем, а все сообщения в очереди добавляются к списку свободных (mqh_frее).

Инициализация взаимного исключения и условной переменной

88-102 Поскольку очереди сообщений Posix могут использоваться совместно произвольным количеством процессов, которые знают имя очереди и имеют соответствующие разрешения, нам нужно инициализировать взаимное исключение и условную переменную с атрибутом PTHREAD_PROCESS_SHARED. Для этого мы сначала инициализируем атрибуты вызовом pthread_mutexattr_init, а затем устанавливаем значение атрибута совместного использования процессами, вызвав pthread_mutexattr_setpshared. После этого взаимное исключение инициализируется вызовом pthread_mutex_init. Аналогичные действия выполняются для условной переменной. Мы должны аккуратно удалить взаимное исключение и условную переменную даже при возникновении ошибки, поскольку вызовы pthread_ mutexattr_init и pthread_condattr_init выделяют под них память (упражнение 7.3).

Сброс бита user-execute

103-107 После инициализации очереди сообщений мы сбрасываем бит user-execute. Это говорит другим процессам о том, что очередь была проинициализирована. Мы также закрываем файл вызовом close, поскольку он был успешно отображен в память и держать его открытым больше нет необходимости.