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.

---

Упражнения

1.  Говоря о листинге 5.4, мы отметили, что атрибут attr функции mq_open при создании новой очереди является ненулевым; следует указать оба поля: mq_maxmsg и mq_msgsize. Как можно было бы указать только одно из них, не указывая второе, для которого использовать значения атрибутов по умолчанию?

2. Измените листинг 5.8 так, чтобы при получении сигнала не вызывалась функция mq_notify. Затем поместите в очередь два сообщения и убедитесь, что для второго из них сигнал порожден не будет. Почему?

3. Измените листинг 5.8 так, чтобы сообщение из очереди при получении сигнала не считывалось. Вместо этого просто вызовите mq_notify и напечатайте сообщение о получении сигнала. Затем отправьте два сообщения и убедитесь, что для второго из них сигнал не порождается. Почему?

4. Что произойдет, если мы уберем преобразование двух констант к целому типу в первом вызове printf в листинге 5.14? 

5. Измените листинг 5.4 следующим образом: перед вызовом mq_open напечатайте сообщение и подождите 30 секунд (sleep). После возвращения из mq_open выведите еще одно сообщение и подождите еще 30 секунд, а затем вызовите mq_close. Откомпилируйте программу и запустите ее, указав большое количество сообщений (несколько сотен тысяч) и максимальный размер сообщения, скажем, в 10 байт. Задача заключается в том, чтобы создать большую очередь и проверить, используются ли в реализации отображаемые в память файлы. В течение 30-секундной паузы запустите программу типа ps и посмотрите на занимаемый программой объем памяти. Сделайте это еще раз после возвращения из mq_open. Можете ли вы объяснить происходящее?

6. Что произойдет при вызове memcpy в листинге 5.26, если вызвавший процесс укажет нулевую длину сообщения?

7. Сравните очередь сообщений с двусторонними каналами, описанными в разделе 4.4. Сколько очередей нужно для двусторонней связи между родительским и дочерним процессами?

8. Почему мы не удаляем взаимное исключение и условную переменную в листинге 5.20?

9. Стандарт Posix утверждает, что дескриптор очереди сообщений не может иметь тип массива. Почему? 

10. В каком состоянии проводит большую часть времени функция main из листинга 5.12? Что происходит каждый раз при получении сигнала? Как мы обрабатываем эту ситуацию?

11. Не все реализации поддерживают атрибут PTHREAD_PROCESS_SHARED для взаимных исключений и условных переменных. Переделайте реализацию очередей сообщений из раздела 5.8 так, чтобы использовать семафоры Posix (глава 10) вместо взаимных исключений и условных переменных.

12. Расширьте реализацию очередей сообщений Posix из раздела 5.8 так, чтобы она поддерживала SIGEV_THREAD. 

ГЛАВА 6 Очереди сообщений System V

6.1. Введениеы

Каждой очереди сообщений System V сопоставляется свой идентификатор очереди сообщений. Любой процесс с соответствующими привилегиями (раздел 3.5) может поместить сообщение в очередь, и любой процесс с другими соответствующими привилегиями может сообщение из очереди считать. Как и для очередей сообщений Posix, для помещения сообщения в очередь System V не требуется наличия подключенного к ней на считывание процесса.

Ядро хранит информацию о каждой очереди сообщений в виде структуры, определенной в заголовочном файле <sys/msg.h>:

struct msqid_ds {

 struct ipc_perm msg_perm; /* Разрешения чтения и записи: раздел 3.3 */

 struct msg *msg_first; /* указатель на первое сообщение в очереди */

 struct msg *msg_last; /* указатель на последнее сообщение в очереди */

 msglen_t msg_cbytes; /* размер очереди в байтах */

 msgqnum_t msg_qnum;  /* количество сообщений в очереди */

 msglen_t msg_qbytes; /* максимальный размер очереди в байтах */

 pid_t msg_lspid;  /* идентификатор (pid) последнего процесса, вызвавшего msgsnd(); */

 pid_t msg_lrpid;  /* pid последнего msgrcv(); */

 time_t msg_stime; /* время отправки последнего сообщения */

 time_t msg_rtime; /* время последнего считывания сообщения */

 time_t msg_ctime; /* время последнего вызова msgctl(), изменившего одно из полей структуры */

};

ПРИМЕЧАНИЕ

Unix 98 не требует наличия полей msg_first, msg_last и msg_cbytes. Тем не менее они имеются в большинстве существующих реализаций, производных от System V. Естественно, ничто не заставляет реализовывать очередь сообщений через связный список, который неявно предполагается при наличии полей msg_first и msg_last. Эти два указателя обычно указывают на участки памяти, принадлежащие ядру, и практически бесполезны для приложения.

Мы можем изобразить конкретную очередь сообщений, хранимую ядром как связный список, — рис. 6.1. В этой очереди три сообщения длиной 1, 2 и 3 байта с типами 100, 200 и 300 соответственно.

В этой главе мы рассмотрим функции, используемые для работы с очередями сообщений System V, и реализуем наш пример файлового сервера из раздела 4.2 с использованием очередей сообщений. 

Рис. 6.1. Структура очереди system V в ядре

6.2. Функция msgget

Создать новую очередь сообщений или получить доступ к существующей можно с помощью функции msgget:

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int oflag);

/* Возвращает неотрицательный идентификатор в случае успешного завершения, –1 в случае ошибки */

Возвращаемое значение представляет собой целочисленный идентификатор, используемый тремя другими функциями msg для обращения к данной очереди. Идентификатор вычисляется на основе указанного ключа, который может быть получен с помощью функции ftok или может представлять собой константу IPC_PRIVATE, как показано на рис. 3.1.

Флаг oflag представляет собой комбинацию разрешений чтения-записи, показанную в табл. 3.3. К разрешениям можно добавить флаги IPC_CREAT или IPC_CREAT | IPC_EXCL с помощью логического сложения, как уже говорилось в связи с рис. 3.2.

При создании новой очереди сообщений инициализируются следующие поля структуры msqid_ds:

■ полям uid и cuid структуры msg_perm присваивается значение действующего идентификатора пользователя вызвавшего процесса, а полям gid и cgid — действующего идентификатора группы;

■ разрешения чтения-записи, указанные в oflag, помещаются в msg_perm.mode;

■ значения msg_qnum, msg_lspid, msg_lrpid, msg_stime и msg_rtime устанавливаются в 0;

■ в msg_ctime записывается текущее время;

■ в msg_qbytes помещается системное ограничение на размер очереди.

6.3. Функция msgsnd

После открытия очереди сообщений с помощью функции msgget можно помещать сообщения в эту очередь с помощью msgsnd.

#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t length, int flag); 

/* Возвращает 0 в случае успешного завершения; –1 – в случае ошибки */

Здесь msqid представляет собой идентификатор очереди, возвращаемый msgget. Указатель ptr указывает на структуру следующего шаблона, определенного в <sys/ msg.h>:

struct msgbuf {

 long mtype; /* тип сообщения, должен быть > 0 */

 char mtext[1]; /* данные */

};

Тип сообщения должен быть больше нуля, поскольку неположительные типы используются в качестве специальной команды функции msgrcv, о чем рассказывается в следующем разделе.

Название mtext в структуре msgbuf употреблено не вполне правильно; данные в сообщении совсем не обязательно должны быть текстом. Разрешена передача любых типов данных как в двоичном, так и в текстовом формате. Ядро никак не интерпретирует содержимое сообщения.

Для описания структуры мы используем термин «шаблон», поскольку ptr указывает на целое типа long, представляющее собой тип сообщения, за которым непосредственно следует само сообщение (если его длина больше 0 байт). Большинство приложений не пользуются этим определением структуры msgbuf, поскольку установленного в ней количества данных (1 байт) обычно недостаточно для прикладных задач. На количество данных в сообщении никаких ограничений при компиляции не накладывается (как правило, оно может быть изменено системным администратором), поэтому вместо объявления структуры с большим объемом данных (большим, чем поддерживается текущей реализацией) определяется этот шаблон. Большинство приложений затем определяют собственную структуру сообщений, в которой передаваемые данные зависят от нужд этих приложений.

Например, если приложению нужно передавать сообщения, состоящие из 16-разрядного целого, за которым следует 8-байтовый массив символов, оно может определить свою собственную структуру так:

#define MY_DATA 8

typedef struct my_msgbuf {

 long mtype; /* тип сообщения */

 int16_t mshort; /* начало данных */

 char mchar[MY_DATA];

} Message;