В этой главе мы обсудим набор средств, обеспечивающих взаимодействие процессов и первоначально введенных в версии ОС UNIX AT&T System V.2. Поскольку все эти средства появились в одном выпуске системы и обладают одинаковым программным интерфейсом, их часто называют средствами IPC (Inter-Process Communication, взаимодействие между процессами) или более полно System V IPC. Как вы уже видели, это далеко не единственный способ установления связи между процессами, но термин "System V IPC" обычно применяется для обозначения именно этих конкретных средств.

В данной главе мы рассмотрим следующие темы:

□ семафоры для управления доступом к ресурсам;

□ совместно используемая память для эффективного использования общих данных разными программами;

□ обмен сообщениями как легкий способ передачи данных между программами.

Когда разрабатываются программы для многопользовательских или многозадачных систем или их комбинации, зачастую выясняется, что в программе есть важные разделы программного кода, в которых необходимо обеспечить единственному процессу (или одному потоку исполнения) монопольный доступ к ресурсу.

У семафоров сложный программный интерфейс. Но, к счастью, вы сможете предоставить существенно, упрощенный его вариант, достаточный для решения большинства проблем, требующих программирования семафоров. 

В первом приложении-примере в главе 7, использующем средство dbm для доступа к базе данных, данные могли бы быть повреждены множественными программами, пытавшимися обновить базу данных в одно и то же время. Никакого сбоя не произойдет, если две разные программы запрашивают у двух разных пользователей ввод данных для базы данных, единственная потенциальная проблема кроется в частях программного кода, обновляющих базу данных. Эти секции программы, действительно выполняющие обновления и нуждающиеся в монопольном режиме выполнения, называются критическими секциями. Часто они занимают всего несколько строк кода в гораздо больших по объему программах.

Для устранения проблем, вызванных одновременным обращением нескольких программ к совместно используемому ресурсу, вам нужен способ генерации и применения маркера, гарантирующего в любой момент, времени доступ в критическую секцию только одному потоку исполнения. В главе 12 вы вкратце познакомились с ориентированным на потоки использованием мьютексов или семафоров для управления доступом в критические секции многопоточной программы. В этой главе мы вернемся к теме семафоров, но акцентируем внимание на их применении для взаимодействия разных процессов.

Примечание

Функции семафоров, применяемые в потоках и обсуждавшиеся в главе 12, не относятся к наиболее общим функциям, которые мы рассматриваем в этой главе, поэтому будьте внимательны и не путайте функции этих двух типов.

Написать программный код общего назначения, который гарантирует одной программе монопольный доступ к конкретному ресурсу, на удивление сложно, несмотря на то, что существует решение, известное как алгоритм Деккера (Dekker's Algorithm). К сожалению, этот алгоритм полагается на состояние активного ожидания или спин-блокировки, в котором процесс выполняется непрерывно, ожидая изменения адреса памяти. В многозадачной среде, какой является ОС Linux, это нежелательные расходы ресурсов ЦПУ. Ситуация существенно облегчается, когда для обеспечения монопольного доступа есть аппаратная поддержка, обычно в виде специальных команд ЦПУ. Примером аппаратной поддержки могла бы быть команда обращения к ресурсу и приращения регистра атомарным образом, так чтобы никакая другая команда (даже прерывание) не могла появиться между операциями чтения/инкремента/записи.

Одним из возможных решений проблемы можно считать уже знакомое вам создание файла с помощью флага

O_EXCL

open

Важный шаг вперед в сфере параллельного программирования был сделан, когда голландский специалист в области компьютерных наук Эдсгер Дейкстра (Edsger Dijkstra) предложил идею семафоров. Как уже кратко упоминалось в главе 12, семафор — это специальная переменная, которая принимает только целые положительные значения и с помощью которой программы могут действовать только атомарно. В этой главе мы расширим данное ранее упрощенное определение. Будет более подробно рассказано, как действуют семафоры и как для взаимодействия отдельных процессов применяются функции общего назначения вместо особого случая многопоточных программ, которые рассматривались в главе 12.

Определяя более строго, семафор — это специальная переменная, для которой разрешены только две операции, формально именуемые ожиданием или приостановкой (wait) и оповещением (signal). Поскольку в программировании Linux у приостановки и оповещения уже есть специальные значения, мы будем применять оригинальное обозначение:

□ 

P

□ 

V

Эти буквы взяты из голландских слов для приостановки (passeren — проходить, пропускать как в случае контрольной точки перед критической секцией) и для оповещения (vrijgeven — предоставлять или освобождать, как в случае отказа от контроля критической секции). Вы можете встретить термины "вверх" (up) и "вниз" (down), применяемые в отношении семафоров по аналогии с использованием сигнальных флажков.

Простейший семафор — это переменная, способная принимать только значения 0 и 1, бинарный или двоичный семафор. Это наиболее распространенный вид семафора. Семафоры, принимающие много положительных значений, называют семафорами общего вида. В оставшейся части главы мы сосредоточимся на двоичных семафорах.

Определения операций

P

V

sv

Таблица 14.1

Другой способ описания семафора — считать, что переменная

sv

true

P(sv)

false

V(sv)

true

false

С помощью простого теоретического примера можно посмотреть, как действует семафор. Предположим, что у вас есть два процесса: proc1 и proc2, оба нуждающиеся в некоторый момент выполнения в монопольном доступе к базе данных. Вы определяете один бинарный семафор

sv

Оба процесса совместно используют переменную-семафор

sv

P(sv)

P(sv)

V(sv)

Требуемый псевдокод у обоих процессов идентичен:

semaphore sv = 1;

loop forever {

 P(sv);

 critical code section;

 V(sv);

 noncritical code section;

}

Код на удивление прост, потому что определение операций

P

V

Рис. 14.1 

На рис. 14.1 показана схема действующих операций

P

V

Теперь, когда вы увидели, что такое семафоры и как они действуют в теории, можно рассмотреть, как их свойства реализованы в ОС Linux. Интерфейс тщательно проработан и предлагает гораздо больше возможностей, чем обычно требуется. Все функции семафоров в Linux оперируют массивами семафоров общего вида, а не одним двоичным семафором. На первый взгляд кажется, что такой подход все усложняет, но если процесс нуждается в блокировке нескольких ресурсов, способность оперировать массивом семафоров — большое подспорье. В этой главе мы сосредоточимся на применении одиночных семафоров, поскольку в большинстве случаев это все, что вам нужно.

Далее приведены объявления функций семафоров:

#include <sys/sem.h>

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

Примечание

Обычно заголовочный файл sys/sem.h опирается на два других заголовочных файла: sys/types.h и sys/ipc.h. Как правило, они автоматически включаются в программу файлом sys/sem.h и вам не нужно задавать их явно в директивах

#include

.

Прорабатывая каждую функцию отдельно, помните о том, что все они спроектированы для использования массивов значений семафоров, что делает их работу существенно более сложной, чем та, что необходима для обработки одного семафора.

Обратите внимание на то, что параметр

key

semget

FILE*

fopen

Функция

semget

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

Первый параметр

key

semget

semget

Существует особое значение ключа семафора

IPC_PRIVATE

Параметр

num_sems

Параметр

sem_flags

OR

IPC_CREAT

IPC_CREAT

IPC_CREAT

IPC_CREAT

IPC_EXCL

Функция

semget

Функция semop применяется для изменения значения семафора.

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

Первый параметр

sem_id

semget

sem_ops

struct sembuf {

 short sem_num;

 short sem_op;

 short sem_flg;

}

Первый параметр

sem_num

sem_op

P

V

Последний элемент

sem_flg

SEM_UNDO

sem_flg

SEM_UNDO

SEM_UNDO

Все действия, предусмотренные

semop

semop

Функция

semctl

int semctl (int sem_id, int sem_num, int command, ...);

Первый параметр sem_id — идентификатор семафора, полученный от функции

semget

sem_num

command

union

semun

union semun {

 int val;

 struct semid_ds *buf;

 unsigned short *array;

}

В большинстве версий ОС Linux определение объединения

semun

semctl

Существует множество разных значений параметра command, допустимых в функции

semctl

semctl

Два часто используемых значения

command

□ 

SETVAL

val

semun

□ 

IPC_RMID

Функция

semctl

command

IPC_RMID

Как видно из содержания предыдущих разделов, операции с семафорами могут быть очень сложными. Это не самое печальное, потому что программирование многих процессов или потоков с критическими секциями — очень трудная задача сама по себе, и наличие сложного программного интерфейса лишь увеличивает интеллектуальную нагрузку.

К счастью, большинство задач, нуждающихся в семафорах, можно решить, применяя единственный бинарный семафор — простейший тип семафора. В следующем примере (упражнение 14.1) вы используете полный программный интерфейс для создания очень простого интерфейса типа Р и V для бинарного семафора. Затем вы примените этот простенький интерфейс для демонстрации того, как функционируют семафоры.

В экспериментах с семафорами будет использоваться единственная программа sem1.с, которую вы сможете запускать несколько раз. Необязательный параметр будет применяться для того, чтобы показать, отвечает ли программа за создание и уничтожение семафора.

Вывод двух разных символов будет обозначать вход в критическую секцию и выход из нее. Программа, запущенная с параметром, выводит

X

О

X

O

1. После системных директив

#include

semun

main

semget

argc > 1

set_semvalue

op_char

O

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <sys/sem.h>

#include "semun.h"

static int set_semvalue(void);

static void del_semvalue(void);

static int semaphore_p(void);

static int semaphore_v(void);

static int sem_id;

int main(int argc, char *argv[]) {

 int i;

 int pause_time;

 char op_char = 'О';

 srand((unsigned int)getpid());

 sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);

 if (argc >1) {

  if (!set_semvalue()) {

   fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

  op_char = 'X';

  sleep(2);

 }

2. Далее следует цикл, в котором 10 раз выполняется вход в критическую секцию и выход из нее. Вы сначала выполняете вызов функции

semaphore_p

 for (i = 0; i < 10; i++) {

  if (!semaphore_p()) exit(EXIT_FAILURE);

  printf("%c", op_char);

  fflush(stdout);

  pause_time = rand() % 3;

  sleep(pause_time);

  printf("%c", op_char);

  fflush(stdout);

3. После критической секции вы вызываете функцию

semaphore_v

for

del_semvalue

  if (!semaphore_v()) exit(EXIT_FAILURE);

  pause_time = rand() % 2;

  sleep(pause_time);

 }

 printf("\n%d - finished\n", getpid());

 if (argc > 1) {

  sleep(10);

  del_semvalue();

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

4. Функция

set_semvalue

SETVAL

semctl

static int set_semvalue(void) {

 union semun sem_union;

 sem_union.val = 1;

 if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) return(0);

 return(1);

}

5. У функции

del_semvalue

semctl

IPC_RMID

static void del_semvalue(void) {

 union semun sem_union;

 if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)

  fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");

}

6. Функция semaphore_p изменяет счетчик семафора на -1. Это операция ожидания или приостановки процесса.

static int semaphore_p(void) {

 struct sembuf sem_b;

 sem_b.sem_num = 0;

 sem_b.sem_op = -1; /* P() */

 sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

 if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {

  fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");

  return(0);

 }

 return(1);

}

7. Функция

semaphore_v

sem_op

sembuf

static int semaphore_v(void) {

 struct sembuf sem_b;

 sem_b.sem_num = 0;

 sem_b.sem_op = 1; /* V() */

 sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

 if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {

  fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");

  return(0);

 }

 return(1);

}

Обратите внимание на то, что эта простая программа разрешает существование единственного двоичного семафора для каждой программы, хотя можно было бы увеличить количество, передав переменную семафора при необходимости. Обычно одного бинарного семафора достаточно.

Вы можете протестировать вашу программу, запустив ее несколько раз. В первый раз вы передадите параметр, чтобы сообщить программе о том, что она отвечает за создание и удаление семафора. У других экземпляров выполняющейся программы не будет параметра.

Далее приведен примерный вывод для двух запущенных экземпляров программы:

$ cc sem1.с -о sem1

$ ./sem1 1 &

[1] 1082

$ ./sem1

OOXXOOXXOOXXOOXXOOXXOOOOXXOOXXOOXXOOXXXX

1083 - finished

1082 - finished

Напоминаем, что символ

О

X

О

Х

stty -tostop

tty

Как это работает

Программа начинается с получения обозначения семафора на основе ключа (произвольного), который вы выбрали, применив функцию

semget

IPC_CREAT

Если у программы есть параметр, она отвечает за инициализацию семафора, которая выполняется функцией

set_semvalue

semctl

sleep

srand

rand

Далее программа выполняет 10 раз операторы тела цикла с псевдослучайными периодами ожидания в своей критической и некритической секциях. Критическая секция охраняется вызовами ваших функций

semaphore_p

semaphore_v

semop

Перед удалением семафора программа, запущенная с параметром, ждет, пока завершится выполнение других экземпляров программы. Если семафор не удален, он будет продолжать существовать в системе, даже если нет программ, его использующих. В реальных программах очень важно убедиться в том, что вы случайно не оставили семафор после завершения выполнения. Он может вызвать проблемы при следующем запуске программы, кроме того, семафоры — разновидность ограниченных ресурсов, которые вы должны беречь.

Совместно используемая или разделяемая память — вторая разновидность средств IPC. Она позволяет двум несвязанным процессам обращаться к одной и той же логической памяти. Хотя стандарт X/Open не требует этого, надо полагать, что большинство реализаций разделяемой памяти размещают память, совместно используемую разными процессами, так, что она ссылается на одну и ту же физическую память.

Совместно используемая память — это специальный диапазон адресов, создаваемых средствами IPC для одного процесса и включаемых в адресное пространство этого процесса. Другой процесс может затем "присоединить" тот же самый сегмент совместно используемой памяти к своему адресному пространству. Все процессы могут получать доступ к участкам памяти так, как будто эта память была выделена функцией

malloc

Совместно используемая память обеспечивает эффективный способ разделения и передачи данных между разными процессами. Сама по себе совместная используемая память не предоставляет никаких средств синхронизации, поэтому вы, как правило, вынуждены применять некоторые другие механизмы для синхронизации доступа к совместно используемой памяти. Обычно совместно используемая память применяется для обеспечения эффективного доступа к обширным областям памяти, а для синхронизации доступа к ней передаются небольшие сообщения.

Не существует автоматических средств для того, чтобы помешать второму процессу начать считывание совместно используемой памяти до того, как первый процесс закончит запись в нее. За синхронизацию доступа отвечает программист. На рис. 14.2 показан принцип работы совместно используемой памяти.

Рис. 14.2

Стрелки показывают отображение логического адресного пространства каждого процесса на доступную физическую память. На практике ситуация сложнее, потому что доступная память на самом деле представляет собой смесь физической памяти и страниц памяти, которые были выгружены на диск.

Функции для работы с совместно используемой памятью напоминают функции семафоров:

#include <sys/shm.h>

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

int shmdt(const void *shm_addr);

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

Как и в случае семафоров, заголовочные файлы sys/types.h и sys/ipc.h автоматически включаются в программу файлом shm.h.

Создается совместно используемая память с помощью функции

shmget

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

Как и для семафоров, программа предоставляет

key

shmget

IPC_PRIVATE

Второй параметр

size

Третий параметр

shmflg

IPC_CREAT

OR

IPC_CREAT

IPC_CREAT

Флаги прав доступа к совместно используемой памяти очень полезны, поскольку позволяют процессу создать совместно используемую память, в которую могут писать процессы, принадлежащие создателю этой разделяемой памяти, а процессы, созданные другими пользователями, могут только читать этот сегмент памяти. Вы можете использовать этот механизм для обеспечения эффективного доступа к данным только для чтения, поместив их в совместно используемую память без какого- либо риска их повреждения другими пользователями.

Если совместно используемая память создана успешно,

shmget

Когда вы впервые создаете сегмент совместно используемой памяти, он недоступен ни одному процессу. Для того чтобы обеспечить доступ к совместно используемой памяти, нужно присоединить ее к адресному пространству процесса. Делается это с помощью функции

shmat

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

Первый параметр

shm_id

shmget

Второй параметр

shm_addr

Третий параметр

shmflg

SHM_RND

shm_addr

SHM_RDONLY

Если вызов

shmat

Наличие доступа для чтения совместно используемой памяти и записи в нее зависит от владельца (создателя сегмента совместно используемой памяти), прав доступа и владельца текущего процесса. Права доступа к совместно используемой памяти подобны правам доступа к файлам.

Исключение из этого правила возникает, если выражение

shmflg & SHM_RDONLY

true

Функция

shmdt

shmat

Функции управления совместно используемой памятью (к счастью) гораздо проще аналогичных, но более сложных функций для семафоров:

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);

У структуры типа

shmid_ds

struct shmid_ds {

 uid_t shm_perm.uid;

 uid_t shm_perm.gid;

 mode_t shm_perm.mode;

}

Первый параметр

shm_id

shmget

Второй параметр

command

Таблица 14.2

Третий параметр

buf

В случае успеха возвращает 0, в случае ошибки — -1. В стандарте X/Open не описано, что произойдет, если вы попытаетесь удалить присоединенный к процессу сегмент совместно используемой памяти. Обычно присоединенный, но удаленный сегмент совместно используемой памяти продолжает функционировать до тех пор, пока не будет отсоединен от последнего процесса. Но поскольку это поведение не задано в стандарте, на него лучше не рассчитывать.

Выполните упражнение 14.2.

После знакомства с функциями совместно используемой памяти можно написать программу для их использования. В данном упражнении вы напишите пару программ: shm1.c и shm2.c. Первая (потребитель) создаст сегмент разделяемой памяти и затем отобразит любые данные, записанные в него. Вторая (поставщик) присоединит существующий сегмент совместно используемой памяти и позволит вам ввести данные в этот сегмент.

1. Сначала создайте общий заголовочный файл для описания совместно используемой памяти, которую вы хотите предоставить. Назовите его shm_com.h.

#define TEXT_SZ 2048

struct shared_use_st {

 int written_by_you;

 char some_text[TEXT_SZ];

};

В файле определена структура, которая будет применяться в обеих программах: потребителе и поставщике. Вы используете флаг

written_by_you

int

2. Первая программа shm1.c — потребитель. После заголовочных файлов создается сегмент совместно используемой памяти (размер равен вашей структуре, описывающей совместно используемую память) с помощью вызова

shmget

IPC_CREAT

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/shm.h>

#include "shm_com.h"

int main() {

 int running = 1;

 void *shared_memory = (void *)0;

 struct shared_use_st *shared_stuff;

 int shmid;

 srand((unsigned int)getpid());

 shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st),

  0666 | IPC_CREAT);

 if (shmid == -1) {

  fprintf(stderr, "shmget failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

3. Теперь вы делаете совместно используемую память доступной программе.

 shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);

 if (shared memory == (void *)-1) {

  fprintf(stderr, "shmat failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);

4. В следующем фрагменте программы сегмент

shared_memory

shared_stuff

some_text

end

some_text

sleep

 shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;

 shared_stuff->written_by_you = 0;

 while (running) {

  if (shared_stuff->written_by_you) {

   printf("You wrote: %s", shared_stuff->some_text);

   sleep(rand() % 4);

   /* Заставляет другой процесс ждать нас! */

   shared_stuff->written_by_you = 0;

   if (strncmp(shared_stuff->some_text, "end", 3) == 0) {

    running = 0;

   }

  }

 }

5. В заключение совместно используемая память отсоединяется и удаляется.

 if (shmdt(shared_memory) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmdt failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

6. Вторая программа shm2.c — поставщик; она позволяет вводить данные для потребителей. Программа очень похожа на shm1.c и выглядит следующим образом.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/shm.h>

#include "shm_com.h"

int main() {

 int running = 1;

 void *shared_memory = (void *)0;

 struct shared_use_st *shared_stuff;

 char buffer[BUFSIZ];

 int shmid;

 shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT);

 if (shmid == -1) {

  fprintf(stderr, "shmget failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);

 if (shared_memory == (void *)-1) {

  fprintf(stderr, "shmat failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);

 shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;

 while (running) {

  while (shared_stuff->written_by_you == 1) {

   sleep(1);

   printf("waiting for client...\n");

  }

  printf("Enter same text: ");

  fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);

  strncpy(shared_stuff->some_text, buffer, TEXT_SZ);

  shared_stuff->written_by_you = 1;

  if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0) {

   running = 0;

  }

 }

 if (shmdt(shared_memory) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmdt failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Когда вы выполните эти программы, то получите образец вывода, подобный следующему:

$ ./shm1 &

[1] 294

Memory attached at 40017000

$ ./shm2

Memory attached at 40017000

Enter some text: hello

You wrote: hello

waiting for client...

waiting for client...

Enter some text: Linux!

You wrote: Linux!

waiting for client...

waiting for client...

waiting for client...

Enter some text: end

You wrote: end

$

Как это работает

Первая программа shm1 создает сегмент совместно используемой памяти и затем присоединяет его к своему адресному пространству. Вы накладываете структуру

shared_use_st

written_by_you

end

Вторая программа shm2 получает и присоединяет тот же самый сегмент совместно используемой памяти, поскольку она применяет тот же ключ 1234. Затем она просит пользователя ввести текст. Если флаг

written_by_you

end

Обратите внимание на то, что вы вынуждены с помощью флага

written_by_you

Теперь рассмотрим третье и последнее средство System V IPC: очереди сообщений. Во многом очереди сообщений похожи на именованные каналы, но без сложностей, сопровождающих открытие и закрытие канала. Однако применение очереди сообщений не избавляет вас от проблем, возникающих при использовании именованных каналов, например блокировки заполненных каналов.

Очереди сообщений предоставляют очень легкий и эффективный способ передачи данных между двумя несвязанными процессами. У них есть преимущество по сравнению с именованными каналами, заключающееся в том, что очередь сообщений существует независимо как от отправляющего, так и от принимающего процессов, что устраняет некоторые трудности, возникающие при синхронизации открытия и закрытия именованных каналов.

Очереди сообщений обеспечивают отправку блока данных из одного процесса в другой. Кроме того, каждый блок данных наделяется типом, и принимающий процесс может получать независимо блоки данных, имеющие разные типы. Хорошо и то, что, отправляя сообщения, вы можете почти полностью избежать проблем синхронизации и блокировки, связанных с именованными каналами. Еще лучше то, что вы можете проявить предусмотрительность в отношении неотложных в том или ином смысле сообщений. К недостаткам следует отнести то, что, как и в случае каналов, в системе существует ограничение максимального объема блока данных и максимального объема всех блоков данных во всех очередях.

Наложив эти ограничения, стандарт X/Open не позаботился о способе выяснения их числовых значений за исключением того, что превышение ограничений — достаточное основание для аварийного завершения функций обработки очереди сообщений. В ОС Linux есть два определения:

MSGMAX

MSGMNB

Далее приведены объявления функций для работы с очередями сообщений:

#include <sys/msg.h>

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

int msgget(key_t key, int msgflg);

int msgrcv(int msqid, void *msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);

int msgsnd(int msqid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

Как и в случае семафоров или совместно используемой памяти, заголовочные файлы sys/types.h и sys/ipc.h обычно автоматически включаются заголовочным файлом msg.h.

Очередь сообщений создается и предоставляет к себе доступ с помощью функции

msgget

int msgget(key_t key, int msgflg);

Программа должна предоставить значение параметра

key

IPC_PRIVATE

msgflg

IPC_CREAT

OR

IPC_CREAT

IPC_CREAT

Функция

msgget

Функция

msgsnd

int msgsnd(int msqid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

Структура сообщения ограничена двумя способами. Во-первых, она должна быть меньше системного ограничения, и во-вторых, она должна начинаться с элемента типа

long int

struct my_message {

 long int message_type;

 /* Данные, которые вы собираетесь передавать */

}

Поскольку элемент

message_type

Первый параметр

msqid

msgget

Второй параметр

msg_ptr

long int

Третий параметр

msg_sz

msg_ptr

long int

Четвертый параметр

msgflg

msgflg

IPC_NOWAIT

msgflg

IPC_NOWAIT

В случае успеха функция вернет 0, а в случае аварийного завершения — -1. Если вызов был успешен, копия данных сообщения принимается и помещается в очередь сообщений.

Функция

msgrcv

int msgrcv(int msqid, void *msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);

Первый параметр

msqid

Второй параметр

msg_ptr

long int

msgsnd

Третий параметр

msg_sz

msg_ptr

long int

Четвертый параметр

msgtype

long int

msgtype

msgtype

На практике все гораздо проще. Если вы просто хотите получать сообщения в порядке их отправления, задайте

msgtype

msgtype

n

msgtype

-n

Четвертый параметр

msgflg

msgflg

IPC_NOWAIT

IPC_NOWAIT

msgflg

В случае успешного завершения функция msgrcv вернет количество байтов, помещенных в буфер приема, сообщение копируется в выделяемый пользователем буфер, на который указывает

msg_ptr

Последняя функция обработки очереди сообщений

msgctl

int msgctl(int msqid; int command, struct msqid_ds *buf);

Структура

msqid_ds

struct msqid_ds {

 uid_t msg_perm.uid;

 uid_t msg_perm.gid;

 mode_t msg_perm.mode;

}

Первый параметр

msqid

msgget

Второй параметр

command

Таблица 14.3

В случае успешного завершения возвращает 0, в случае аварийного — -1. Если очередь сообщений удаляется, когда процесс ожидает в функции

msgsnd

msgrcv

Выполните упражнение 14.3.

Теперь, когда вы познакомились с объявлениями, относящимися к очередям сообщений, можно посмотреть, как они действуют на практике. Как и раньше, вы напишите две программы: msg1.c для получения и msg2.c для отправки сообщений. Вы разрешите обеим программам создавать очередь сообщений, но используете для удаления очереди программу-приемник после того, как она получит последнее сообщение.

1. Далее приведена программа-приемник msg1 .с:

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/msg.h>

struct my_msg_st {

 long int my_msg_type;

 char some_text[BUFSIZ];

};

int main() {

 int running = 1;

 int msgid;

 struct my_msg_st some_data;

 long int msg_to_receive = 0;

2. Прежде всего, задайте очередь сообщений:

 msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);

 if (msgid == -1) {

  fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d\n", errno);

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

3. Далее сообщения извлекаются из очереди до тех пор, пока не будет обнаружено сообщение

end

 while (running) {

  if (msgrcv(msgid, (void *)&some_data, BUFSIZ, msg_to_receive, 0) == -1) {

   fprintf(stderr, "msgrcv failed with error: %d\n", errno);

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

  printf("You wrote: %s", some_data.some_text);

  if (strncmp(some_data.some_text, "end", 3) == 0) {

   running = 0;

  }

 }

 if (msgctl(msgid, IPC_RMID, 0) == -1) {

  fprintf(stderr, "msgctl(IPC_RMID) failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

4. Программа-отправитель msg2.c очень похожа на программу msg1.с. В функции main удалите объявление

msg_to_receive

buffer[BUFSIZ]

running

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/msg.h>

#define MAX_TEXT 512

struct my_msg_st {

 long int my_msg_type;

 char some_text[MAX_TEXT];

};

int main() {

 int running = 1;

 struct my_msg_st some_data;

 int msgid;

 char buffer = [BUFSIZ];

 msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);

 if (msgid == -1) {

  fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d\n", errno);

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 while (running) {

  printf("Enter some text: ");

  fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);

  some_data.my_msg_type = 1;

  strcpy(some_data.some_text, buffer);

  if (msgsnd(msgid, (void*)&some_data, MAX_TEXT, 0)) == -1) {

   fpintf(stderr, "msgsnd failed\n");

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

  if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0) {

   running = 0;

  }

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

В отличие от примера с каналами, процессам нет нужды предоставлять метод их собственной синхронизации. Это существенное преимущество сообщений по сравнению с каналами.

Если в очереди сообщений есть место, отправитель может создать очередь, поместить в нее какие-либо данные и завершить выполнение еще до того, как начнет выполняться приемник. Первой следует запускать программу-отправителя msg2. Далее приведен пример вывода:

$ ./msg2

Enter some text: hello

Enter some text: How are you today?

Enter some text: end

$ ./msg1

You wrote: hello

You wrote: How are you today?

You wrote: end

Как это работает

Программа-отправитель создает очередь сообщений с помощью функции

msgget

msgsnd

msgget

end

msgctl

Сейчас подходящий момент для модификации вашего приложения, управляющего базой данных компакт-дисков, с помощью средств IPC, с которыми вы познакомились в этой главе.

Вы могли бы применить множество разных комбинаций трех разновидностей средств IPC, но поскольку информация, которую следует передавать, очень мала по объему, есть смысл реализовать передачу запросов и ответов непосредственно с помощью очередей сообщений.

Если объемы данных, которые вы должны передавать, были бы велики, можно было бы рассмотреть передачу реальных данных в совместно используемой памяти, одновременно применяя семафоры или сообщения для отправки маркера или "опознавательного знака", информирующего другой процесс о наличии данных в совместно используемой памяти.

Интерфейс очереди сообщений устраняет проблему, которая у вас была в главе 11, когда вы нуждались в открытом канале у обоих процессов в момент передачи данных. Применение очередей сообщений позволяет одному процессу поместить сообщения в очередь, даже если этот процесс в данный момент — единственный пользователь очереди.

Вам нужно ответить лишь на один важный вопрос: как возвращать ответы клиентам? Простым решением было бы наличие одной очереди для сервера и по одной очереди для каждого клиента. Если одновременно существует много клиентов, такой подход может вызвать проблемы, т.к. потребуется большое количество очередей. Используя в сообщении поле идентификатора сообщения, вы сможете разрешить всем клиентам пользоваться одной очередью и адресовать ответные сообщения конкретным клиентским процессам с помощью включенного в сообщение идентификатора клиентского процесса. Далее каждый клиент может извлекать сообщения, адресованные только ему, оставляя сообщения для других клиентов в очереди.

Для преобразования приложения, работающего с базой данных компакт-дисков, с помощью средств IPC вам придется заменить только файл pipe_imp.c из сопроводительного программного кода к главе 13. Далее мы рассмотрим важные разделы замещающего файла ipc_imp.c.

Сначала нужно обновить серверные функции.

1. Прежде всего, включите необходимые заголовочные файлы, объявите несколько ключей очередей сообщений и структуру для хранения данных сообщения:

#include "cd_data.h"

#include "cliserv.h"

#include <sys/msg.h>

#define SERVER_MQUEUE 1234

#define CLIENT_MQUEUE 4321

struct msg_passed {

 long int msg_key; /* Используется для клиентского pid */

 message_db_t real message;

};

2. Две глобальные переменные хранят идентификаторы двух очередей, возвращаемые функцией

msgget

static int serv_qid = -1;

static int cli_qid = -1;

3. Сделайте сервер ответственным за создание обеих очередей сообщений:

int server starting() {

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- server_starting()\n", getpid());

#endif

 serv_qid = msgget((key_t)SERVER_MQUEUE, 0666 | IPC_CREAT);

 if (serv_qid == -1) return(0);

 cli_qid = msgget((key_t)CLIENT_MQUEUE, 0666 | IPC_CREAT);

 if (cli_qid == -1) return(0);

 return(1);

}

4. За удаление очереди, если она существует, также отвечает сервер. Когда сервер заканчивает работу, вы задаете недопустимые значения вашим глобальным переменным. Это позволит выловить любые ошибки при попытке сервера отправить сообщения после вызова функции

server_ending

void server_ending() {

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- server_ending()\n", getpid());

#endif

 (void)msgctl(serv_qid, IPC_RMID, 0);

 (void)msgctl(cli_qid, IPC_RMID, 0);

 servqid = -1;

 cliqid = -1;

}

5. Серверная функция

read

int read_request_from_client(message_db_t *rec_ptr) {

 struct msg_passed my_msg;

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- read_request_from_client()\n", getpid());

#endif

 if (msgrcv(serv_qid, (void *)&my_msg, sizeof(*rec_ptr), 0, 0) == -1) {

  return(0);

 }

 *rec_ptr = my_msg.real_message;

 return(1);

}

6. При отправке сообщения для его адресации используется ID клиентского процесса, хранящийся в запросе:

int send_resp_to_client(const message_db_t mess_to_send) {

 struct msg_passed my_msg;

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- send_resp_to_client()\n", getpid());

#endif

 my_msg.real_message = mess_to_send;

 my_msg.msg_key = mess_to_send.client_pid;

 if (msgsnd(cli_qid, (void *)&my_msg, sizeof(mess_to_send), 0) == -1) {

  return(0);

 }

 return(1);

}

Теперь нужно внести изменения в клиентские функции.

1. Когда клиент стартует, ему нужно найти идентификаторы серверной и клиентской очередей. Клиент не создает очереди. Если сервер не работает, эта функция завершится аварийно, поскольку не существует очередей сообщений.

int client starting() {

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- client_starting\n", getpid());

#endif

 serv_qid = msgget((key_t)SERVER_MQUEUE, 0666);

 if (serv_qid == -1) return(0);

 cli_qid = msgget((key_t)CLIENT_MQUEUE, 0666);

 if (cli_qid == -1) return(0);

 return(1);

}

2. Как и в случае сервера, когда клиент завершает работу, вы задаете некорректные значения глобальных переменных. Это позволит выявить ошибки при попытке клиента отправлять сообщения после вызова функции

client_ending

void client_ending() {

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- client_ending()\n", getpid());

#endif

 serv_qid = -1;

 cli_qid = -1;

}

3. Для отправки сообщения серверу сохраните данные в своей структуре. Учтите, что вы должны задать ключ сообщения. Поскольку 0 — недопустимое значение для ключа, незаданный ключ означает, что он принимает (очевидно) случайное значение, поэтому иногда эта функция может возвращать ошибку, если значение оказывается нулевым.

int send_mess_to_server(message_db_t mess_to_send) {

 struct msg_passed my_msg;

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d send_mess_to_server()\n", getpid());

#endif

 my_msg.real_message = mess_to_send;

 my_msg.msg_key = mess_to_send.client_pid;

 if (msgsnd(serv_qid, (void *)&my_msg, sizeof(mess_to_send) , 0) == -1) {

  perror("Message send failed");

  return(0);

 }

 return(1);

}

4. При получении сообщения от сервера клиент использует ID процесса для получения только сообщений, адресованных ему, пропуская сообщения, предназначенные другим клиентам.

int read_resp_from_server(message_db_t *rec_ptr) {

 struct msg_passed mymsg;

#if DEBUG_TRACE

 printf("%d :- read_resp_from_server()\n", getpid());

#endif

 if (msgrcv(cli_qid, (void *)&my_msg, sizeof(*rec_ptr), getpid(), 0) == -1) {

  return(0);

 }

 *rec_ptr = my_msg.real_message;

 return(1);

}

5. Для сохранения совместимости с файлом pipe_imp.c необходимо объявить четыре дополнительные функции. Но в вашей программе они будут пустыми. Операции, которые они реализовывали в случае применения каналов, больше не нужны.

int start_resp_to_client(const message_db_t mess_to_send) {

 return(1);

}

void end_resp_to_client(void) {}

int start_resp_from_server(void) {

 return(1);

}

void end_resp_from_server(void) {}

Теперь вы можете просто запустить сервер, выполняющий в фоновом режиме реальное сохранение и извлечение данных, и затем выполнить клиентское приложение для подключения к серверу с помощью сообщений.

Все, что вы должны сделать, — это заменить интерфейсные функции из главы 11 другой реализацией, применяющей очереди сообщений. Преобразование приложения для использования очередей сообщений показывает мощь этого средства IPC, т.к. вам требуется меньше функций, чем в случае применения каналов, и даже эти необходимые функции гораздо проще, чем в предыдущей версии приложения.

Несмотря на то, что для соответствия требованиям X/Open этого не требуется, большинство систем Linux предоставляет набор команд, обеспечивающих доступ к данным IPC в режиме командной строки и удаление потерянных средств IPC. Существуют команды

ipcs

ipcrm

Один из досадных недостатков средств IPC состоит в том, что плохо написанная программа или программа, по какой-либо причине завершившаяся аварийно, может оставить свои ресурсы IPC (например, данные в очереди сообщений) еще долго блуждающими в системе без определенной цели после завершения программы. Такое поведение может привести к аварийному завершению нового запуска программы, поскольку она рассчитывает начать выполнение в очищенной системе, а на самом деле находит эти блуждающие ресурсы. Команды состояния (

ipcs

ipcrm

Для проверки состояния семафоров в системе примените команду

ipcs -s

$ ipcs -s

------ Semaphore Arrays ------

key        semid owner perms nsems

0x4d00df1a 768   rick  666   1

Для удаления семафоров, случайно оставленных программами, вы можете использовать команду

ipcrm

$ ipcrm -s 768

В некоторых более старых системах Linux используется несколько иной синтаксис команды:

$ ipcrm sem 768

Но этот устаревший стиль редко встречается в наше время. Формат, подходящий для вашей конкретной системы, ищите на страницах интерактивного справочного руководства.

Многие системы предоставляют программы режима командной строки для доступа не только к сведениям о семафорах, но и к подробным данным совместно используемой памяти. К ним относятся команды

ipcs -m

ipcrm -m <id>

ipcrm shm <id>

Далее приведен пример вывода команды

ipcs -m

$ ipcs -m

------ Shared Memory Segments ------

key        shmid owner perms bytes nattch status

0x00000000 384   rick  666   4096  2      dest

Здесь показан единственный сегмент совместно используемой памяти объемом 4 Кбайт, присоединенный к двум процессам.

Команда

ipcrm -m <id>

Для очередей сообщений предназначены команды

ipcs -q

ipcrm -q <id

ipcrm msg <id>

Далее приведен пример вывода команды

ipcs -q

$ ipcs -q

------ Message Queues ------

key        msqid owner perms used-bytes messages

0x000004d2 3384  rick  666   2048       2

В нем показаны в очереди сообщений два сообщения общим объемом 2048 байтов. Команда

ipcrm -q <id>

В этой главе вы познакомились с тремя разновидностями средств взаимосвязи процессов, которые стали широко применяться в ОС UNIX System V.2 и были доступны в системе Linux, начиная с ранних версий ее дистрибутивов. Вы рассмотрели предлагаемые ими сложные функциональные возможности и, после того как поняли принципы их функционирования, оценили обеспечиваемое ими эффективное решение для удовлетворения многих потребностей межпроцессного взаимодействия.