Основы операционных систем. Практикум

Очереди сообщений в UNIX

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Сообщения как средства связи и средства синхронизации процессов

В материалах предыдущих семинаров были представлены такие средства организации взаимодействия процессов из состава средств System V IPC, как разделяемая память (семинары 6–7) и семафоры (семинар 8). Третьим и последним, наиболее семантически нагруженным средством, входящим в System V IPC, являются очереди сообщений. В лекции 6 говорилось о модели сообщений как о способе взаимодействия процессов через линии связи, в котором на передаваемую информацию накладывается определенная структура, так что процесс, принимающий данные, может четко определить, где заканчивается одна порция информации и начинается другая. Такая модель позволяет задействовать одну и ту же линию связи для передачи данных в двух направлениях между несколькими процессами. Мы также рассматривали возможность использования сообщений с встроенными механизмами взаимоисключения и блокировки при чтении из пустого буфера и записи в переполненный буфер для организации синхронизации процессов.

В материалах этого семинара речь пойдет об использовании очередей сообщений System V IPC для обеспечения обеих названных функций.

Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC

Так как очереди сообщений входят в состав средств System V IPC, для них верно все, что говорилось ранее об этих средствах в целом и уже знакомо нам. Очереди сообщений, как и семафоры, и разделяемая память, являются средством связи с непрямой адресацией, требуют инициализации для организации взаимодействия процессов и специальных действий для освобождения системных ресурсов по окончании взаимодействия. Пространством имен очередей сообщений является то же самое множество значений ключа, генерируемых с помощью функции ftok() (см. семинары 6–7 раздел "Пространство имен. Адресация в System V IPC. Функция ftok() "). Для выполнения примитивов send и receive, введенных в лекции 6, соответствующим системным вызовам в качестве параметра передаются IPC-дескрипторы (см. семинары 6–7 раздел "Дескрипторы System V IPC") очередей сообщений, однозначно идентифицирующих их во всей вычислительной системе.

Очереди сообщений располагаются в адресном пространстве ядра операционной системы в виде однонаправленных списков и имеют ограничение по объему информации, хранящейся в каждой очереди. Каждый элемент списка представляет собой отдельное сообщение. Сообщения имеют атрибут, называемый типом сообщения . Выборка сообщений из очереди (выполнение примитива receive ) может осуществляться тремя способами:

  • В порядке FIFO, независимо от типа сообщения.
  • В порядке FIFO для сообщений конкретного типа.
  • Первым выбирается сообщение с минимальным типом, не превышающим некоторого заданного значения, пришедшее раньше других сообщений с тем же типом.
    •

    Реализация примитивов send и receive обеспечивает скрытое от пользователя взаимоисключение во время помещения сообщения в очередь или его получения из очереди. Также она обеспечивает блокировку процесса при попытке выполнить примитив receive над пустой очередью или очередью, в которой отсутствуют сообщения запрошенного типа, или при попытке выполнить примитив send для очереди, в которой нет свободного места.

    Очереди сообщений, как и другие средства System V IPC, позволяют организовать взаимодействие процессов, не находящихся одновременно в вычислительной системе.

    Создание очереди сообщений или доступ к уже существующей. Системный вызов msgget()

    Для создания очереди сообщений, ассоциированной с определенным ключом, или доступа по ключу к уже существующей очереди используется системный вызов msgget() , являющийся аналогом системных вызовов shmget() для разделяемой памяти и semget() для массива семафоров, который возвращает значение IPC-дескриптора для этой очереди. При этом существуют те же способы создания и доступа, что и для разделяемой памяти или семафоров (см. семинары 6–7 раздел "Разделяемая память в UNIX. Системные вызовы shmget(), shmat(), shmdt() " и см. семинар 8 раздел "Создание массива семафоров или доступ к уже существующему. Системный вызов semget() ", соответственно).

    Системный вызов msgget()

    Прототип системного вызова

    #include <types.h>
#include <ipc.h>
#include <msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgget предназначен для выполнения операции доступа к очереди сообщений и, в случае ее успешного завершения, возвращает дескриптор System V IPC для этой очереди (целое неотрицательное число, однозначно характеризующее очередь сообщений внутри вычислительной системы и использующееся в дальнейшем для других операций с ней).

    Параметр key является ключом System V IPC для очереди сообщений, т. е. фактически ее именем из пространства имен System V IPC. В качестве значения этого параметра может быть использовано значение ключа, полученное с помощью функции ftok(), или специальное значение IPC_PRIVATE. Использование значения IPC_PRIVATE всегда приводит к попытке создания новой очереди сообщений с ключом, который не совпадает со значением ключа ни одной из уже существующих очередей и не может быть получен с помощью функции ftok() ни при одной комбинации ее параметров.

    Параметр msgflg – флаги – играет роль только при создании новой очереди сообщений и определяет права различных пользователей при доступе к очереди, а также необходимость создания новой очереди и поведение системного вызова при попытке создания. Он является некоторой комбинацией (с помощью операции побитовое или – " | ") следующих предопределенных значений и восьмеричных прав доступа:

  • IPC_CREAT — если очереди для указанного ключа не существует, она должна быть создана;
  • IPC_EXCL — применяется совместно с флагом IPC_CREAT. При совместном их использовании и существовании массива с указанным ключом доступ к очереди не производится и констатируется ошибочная ситуация, при этом переменная errno, описанная в файле <errno.h>, примет значение EEXIST ;
  • 0400 — разрешено чтение для пользователя, создавшего очередь;
  • 0200 — разрешена запись для пользователя, создавшего очередь;
  • 0040 — разрешено чтение для группы пользователя, создавшего очередь;
  • 0020 — разрешена запись для группы пользователя, создавшего очередь;
  • 0004 — разрешено чтение для всех остальных пользователей;
  • 0002 — разрешена запись для всех остальных пользователей;
    •

    Очередь сообщений имеет ограничение по общему количеству хранимой информации, которое может быть изменено администратором системы. Текущее значение ограничения можно узнать с помощью команды

    ipcs -l

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение дескриптора System V IPC для очереди сообщений при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Реализация примитивов send и receive. Системные вызовы msgsnd() и msgrcv()

    Для выполнения примитива send используется системный вызов msgsnd() , копирующий пользовательское сообщение в очередь сообщений, заданную IPC-дескриптором. При изучении описания этого вызова обратите особое внимание на следующие моменты:

  • Тип данных struct msgbuf не является типом данных для пользовательских сообщений, а представляет собой лишь шаблон для создания таких типов. Пользователь сам должен создать структуру для своих сообщений, в которой первым полем должна быть переменная типа long, содержащая положительное значение типа сообщения.
  • В качестве третьего параметра – длины сообщения – указывается не вся длина структуры данных, соответствующей сообщению, а только длина полезной информации, т. е. информации, располагающейся в структуре данных после типа сообщения. Это значение может быть и равным 0 в случае, когда вся полезная информация заключается в самом факте прихода сообщения (сообщение используется как сигнальное средство связи).
  • В материалах семинаров мы, как правило, будем использовать нулевое значение флага системного вызова, которое приводит к блокировке процесса при отсутствии свободного места в очереди сообщений.
    •

    Системный вызов msgsnd()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *ptr,
int length, int flag);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgsnd предназначен для помещения сообщения в очередь сообщений, т. е. является реализацией примитива send.

    Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди, в которую отправляется сообщение, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    Структура struct msgbuf описана в файле <sys/msg.h> как

    struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[1];
};

    Она представляет собой некоторый шаблон структуры сообщения пользователя. Сообщение пользователя – это структура, первый элемент которой обязательно имеет тип long и содержит тип сообщения, а далее следует информативная часть теоретически произвольной длины (практически в Linux она ограничена размером 4080 байт и может быть еще уменьшена системным администратором), содержащая собственно суть сообщения. Например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
char mtext[1024];
} mybuf;

    При этом информация вовсе не обязана быть текстовой, например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
struct {
int iinfo;
float finfo;
} info;
} mybuf;

    Тип сообщения должен быть строго положительным числом. Действительная длина полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения) должна быть передана системному вызову в качестве параметра length. Этот параметр может быть равен и 0, если вся полезная информация заключается в самом факте наличия сообщения. Системный вызов копирует сообщение, расположенное по адресу, на который указывает параметр ptr, в очередь сообщений, заданную дескриптором msqid.

    Параметр flag может принимать два значения: 0 и IPC_NOWAIT. Если значение флага равно 0, и в очереди не хватает места для того, чтобы поместить сообщение, то системный вызов блокируется до тех пор, пока не освободится место. При значении флага IPC_NOWAIT системный вызов в этой ситуации не блокируется, а констатирует возникновение ошибки с установлением значения переменной errno, описанной в файле <errno.h>, равным EAGAIN.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение 0 при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Примитив receive реализуется системным вызовом msgrcv() . При изучении описания этого вызова нужно обратить особое внимание на следующие моменты:

  • Тип данных struct msgbuf, как и для вызова msgsnd() , является лишь шаблоном для пользовательского типа данных.
  • Способ выбора сообщения (см. раздел " Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC" текущего семинара) задается нулевым, положительным или отрицательным значением параметра type. Точное значение типа выбранного сообщения можно определить из соответствующего поля структуры, в которую системный вызов скопирует сообщение.
  • Системный вызов возвращает длину только полезной части скопированной информации, т. е. информации, расположенной в структуре после поля типа сообщения.
  • Выбранное сообщение удаляется из очереди сообщений.
  • В качестве параметра length указывается максимальная длина полезной части информации, которая может быть размещена в структуре, адресованной параметром ptr.
  • В материалах семинаров мы будем, как правило, пользоваться нулевым значением флагов для системного вызова, которое приводит к блокировке процесса в случае отсутствия в очереди сообщений с запрошенным типом и к ошибочной ситуации в случае, когда длина информативной части выбранного сообщения превышает длину, специфицированную в параметре length.
    •

    Системный вызов msgrcv()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *ptr,
int length, long type, int flag);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgrcv предназначен для получения сообщения из очереди сообщений, т. е. является реализацией примитива receive.

    Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди, из которой должно быть получено сообщение, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    Параметр type определяет способ выборки сообщения из очереди следующим образом

    Способ выборки Значение параметра type
    В порядке FIFO, независимо от типа сообщения 0
    В порядке FIFO для сообщений с типом n n
    Первым выбирается сообщение с минимальным типом, не превышающим значения n, пришедшее ранее всех других сообщений с тем же типом -n

    Структура struct msgbuf описана в файле <sys/msg.h> как

    struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[1];
};

    Она представляет собой некоторый шаблон структуры сообщения пользователя. Сообщение пользователя – это структура, первый элемент которой обязательно имеет тип long и содержит тип сообщения, а далее следует информативная часть теоретически произвольной длины (практически в Linux она ограничена размером 4080 байт и может быть еще уменьшена системным администратором), содержащая собственно суть сообщения. Например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
char mtext[1024];
} mybuf;

    При этом информация вовсе не обязана быть текстовой, например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
struct {
int iinfo;
float finfo;
} info;
} mybuf;

    Параметр length должен содержать максимальную длину полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения), которая может быть размещена в сообщении.

    В случае удачи системный вызов копирует выбранное сообщение из очереди сообщений по адресу, указанному в параметре ptr, одновременно удаляя его из очереди сообщений.

    Параметр flag может принимать значение 0 или быть какой-либо комбинацией флагов IPC_NOWAIT и MSG_NOERROR. Если флаг IPC_NOWAIT не установлен и очередь сообщений пуста или в ней нет сообщений с заказанным типом, то системный вызов блокируется до появления запрошенного сообщения. При установлении флага IPC_NOWAIT системный вызов в этой ситуации не блокируется, а констатирует возникновение ошибки с установлением значения переменной errno, описанной в файле <errno.h>, равным EAGAIN. Если действительная длина полезной части информации в выбранном сообщении превышает значение, указанное в параметре length и флаг MSG_NOERROR не установлен, то выборка сообщения не производится, и фиксируется наличие ошибочной ситуации. Если флаг MSG_NOERROR установлен, то в этом случае ошибки не возникает, а сообщение копируется в сокращенном виде.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает при нормальном завершении действительную длину полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения), скопированной из очереди сообщений, и значение -1 при возникновении ошибки.

    Максимально возможная длина информативной части сообщения в операционной системе Linux составляет 4080 байт и может быть уменьшена при генерации системы. Текущее значение максимальной длины можно определить с помощью команды

    ipcs -l

    Удаление очереди сообщений из системы с помощью команды ipcrm или системного вызова msgctl()

    После завершения процессов, использовавших очередь сообщений, она не удаляется из системы автоматически, а продолжает сохраняться в системе вместе со всеми невостребованными сообщениями до тех пор, пока не будет выполнена специальная команда или специальный системный вызов. Для удаления очереди сообщений можно воспользоваться уже знакомой нам командой ipcrm, которая в этом случае примет вид:

    ipcrm msg <IPC идентификатор>

    Для получения IPC идентификатора очереди сообщений примените команду ipcs. Можно удалить очередь сообщений и с помощью системного вызова msgctl() . Этот вызов умеет выполнять и другие операции над очередью сообщений, но в рамках данного курса мы их рассматривать не будем. Если какой-либо процесс находился в состоянии ожидание при выполнении системного вызова msgrcv() или msgsnd() для удаляемой очереди, то он будет разблокирован, и системный вызов констатирует наличие ошибочной ситуации.

    Системный вызов msgctl()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgctl предназначен для получения информации об очереди сообщений, изменения ее атрибутов и удаления из системы. Данное описание не является полным описанием системного вызова, а ограничивается рамками текущего курса. Для изучения полного описания обращайтесь к UNIX Manual.

    В нашем курсе мы будем пользоваться системным вызовом msgctl только для удаления очереди сообщений из системы. Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди сообщений, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    В качестве параметра cmd в рамках нашего курса мы всегда будем передавать значение IPC_RMID – команду для удаления очереди сообщений с заданным идентификатором. Параметр buf для этой команды не используется, поэтому мы всегда будем подставлять туда значение NULL.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение 0 при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Прогон примера с однонаправленной передачей текстовой информации

    Для иллюстрации сказанного рассмотрим две простые программы.

    /* Программа 09-1a.c для иллюстрации работы с 
очередями сообщений */ 
/* Эта программа получает доступ к очереди 
сообщений, отправляет в нее 5 текстовых сообщений с типом 1 и одно
пустое сообщение с типом 255, которое будет служить для программы 
09-1b.c сигналом прекращения работы. */ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#define LAST_MESSAGE 255 /* Тип сообщения для 
    прекращения работы программы 09-1b.c */ 
int main()
{
    int msqid; /* IPC дескриптор для очереди сообщений */
char pathname[] = "09-1a.c"; /* Имя файла, 
        использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
        именем должен существовать в текущей директории */
    key_t key; /* IPC ключ */ 
    int i,len; /* Счетчик цикла и длина 
        информативной части сообщения */
    /* Ниже следует пользовательская структура для 
        сообщения */
    struct mymsgbuf
    { 
        long mtype;
        char mtext[81]; 
    } mybuf;
    /* Генерируем IPC ключ из имени файла 09-1a.c в текущей 
    директории и номера экземпляра очереди сообщений 0. */
    if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
        printf("Can\'t generate key\n");
        exit(-1);
    }
    /* Пытаемся получить доступ по ключу к очереди сообщений, 
    если она существует, или создать ее, с правами доступа 
    read  write для всех пользователей */ 
    if((msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
        printf("Can\'t get msqid\n");
        exit(-1);
    } 
    /* Посылаем в цикле 5 сообщений с типом 1 
    в очередь сообщений, идентифицируемую msqid.*/
    for (i = 1; i <= 5; i++){
        /* Сначала заполняем структуру для нашего 
        сообщения и определяем длину информативной части */ 
        mybuf.mtype = 1;
        strcpy(mybuf.mtext, "This is text message");
        len = strlen(mybuf.mtext)+1;
        /* Отсылаем сообщение. В случае ошибки сообщаем об 
        этом и удаляем очередь сообщений из системы. */ 
        if (msgsnd(msqid, (struct msgbuf *) mybuf, 
            len, 0) < 0){
            printf("Can\'t send message to queue\n");
            msgctl(msqid, IPC_RMID, 
                (struct msqid_ds *) NULL);
            exit(-1);
        }
    }
    /* Отсылаем сообщение, которое заставит получающий процесс
    прекратить работу, с типом LAST_MESSAGE и длиной 0 */ 
    mybuf.mtype = LAST_MESSAGE;
    len = 0;
    if (msgsnd(msqid, (struct msgbuf *) mybuf, 
        len, 0) < 0){
        printf("Can\'t send message to queue\n");
        msgctl(msqid, IPC_RMID, 
            (struct msqid_ds *) NULL);
        exit(-1);
    }
    return 0;
}
    /* Программа 09-1b.c для иллюстрации работы с 
очередями сообщений */ 
/* Эта программа получает доступ к очереди сообщений и читает из
нее сообщения с любым типом в порядке FIFO до тех пор, пока не 
получит сообщение с типом 255, которое будет служить сигналом 
прекращения работы. */ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#define LAST_MESSAGE 255 /* Тип сообщения для 
    прекращения работы */ 
int main()
{
    int msqid; /* IPC дескриптор для очереди сообщений */
    char pathname[] = "09-1a.c"; /* Имя файла, 
        использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
        именем должен существовать в текущей директории */
    key_t key; /* IPC ключ */ 
    int len, maxlen; /* Реальная длина и максимальная 
        длина информативной части сообщения */
    /* Ниже следует пользовательская структура для сообщения */
    struct mymsgbuf
    { 
        long mtype;
        char mtext[81]; 
    } mybuf;
    /* Генерируем IPC ключ из имени файла 09-1a.c в текущей 
    директории и номера экземпляра очереди сообщений 0 */
    if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
        printf("Can\'t generate key\n");
        exit(-1);
    }
    /* Пытаемся получить доступ по ключу к очереди сообщений, 
    если она существует, или создать ее, с правами доступа 
    read  write для всех пользователей */ 
    if((msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
        printf("Can\'t get msqid\n");
        exit(-1);
    } 
    while(1){
        /* В бесконечном цикле принимаем сообщения 
любого типа в порядке FIFO с максимальной длиной информативной 
части 81 символ до тех пор, пока не поступит сообщение с 
типом LAST_MESSAGE*/ 
        maxlen = 81;
        if(( len = msgrcv(msqid, 
            (struct msgbuf *) mybuf, maxlen, 0, 0) < 0){
            printf("Can\'t receive message from queue\n");
            exit(-1);
        }
        /* Если принятое сообщение имеет тип LAST_MESSAGE, 
        прекращаем работу и удаляем очередь сообщений из 
        системы. В противном случае печатаем текст принятого 
        сообщения. */
        if (mybuf.mtype == LAST_MESSAGE){
            msgctl(msqid, IPC_RMID, 
            (struct msqid_ds *) NULL);
        exit(0);
        }
        printf("message type = %ld, info = %s\n", 
        mybuf.mtype, mybuf.mtext);
    }
    return 0; /* Исключительно для отсутствия 
        warning'ов при компиляции. */
}

    Первая из этих программ посылает пять текстовых сообщений с типом 1 и одно сообщение нулевой длины с типом 255 второй программе. Вторая программа в цикле принимает сообщения любого типа в порядке FIFO и печатает их содержимое до тех пор, пока не получит сообщение с типом 255. Сообщение с типом 255 служит для нее сигналом к завершению работы и ликвидации очереди сообщений. Если перед запуском любой из программ очередь сообщений еще отсутствовала в системе, то программа создаст ее.

    Обратите внимание на использование сообщения с типом 255 в качестве сигнала прекращения работы второго процесса. Это сообщение имеет нулевую длину, так как его информативность исчерпывается самим фактом наличия сообщения.

    Наберите программы, сохраните под именами 09-1а.с и 09-1b.c cоответственно, откомпилируйте и проверьте правильность их поведения.

    Модификация предыдущего примера для передачи числовой информации

    В описании системных вызовов msgsnd() и msgrcv() говорится о том, что передаваемая информации не обязательно должна представлять собой текст.

    Мы можем воспользоваться очередями сообщений для передачи данных любого вида. При передаче разнородной информации целесообразно информативную часть объединять внутри сообщения в отдельную структуру:

    struct mymsgbuf { 
    long mtype;
    struct { 
        short sinfo;
        float finfo;
    } info;
} mybuf;

    для правильного вычисления длины информативной части. В некоторых вычислительных системах числовые данные размещаются в памяти с выравниванием на определенные адреса (например, на адреса, кратные 4). Поэтому реальный размер памяти, необходимой для размещения нескольких числовых данных, может оказаться больше суммы длин этих данных, т. е. в нашем случае

    sizeof(info)>=sizeof(short)+sizeof(float)

    Для полной передачи информативной части сообщения в качестве длины нужно указывать не сумму длин полей, а полную длину структуры. Модифицируйте предыдущие программы 09-1a.c и 09-1b.c из раздела "Прогон примера с однонаправленной передачей текстовой информации" для передачи нетекстовых сообщений.

    Написание, компиляция и прогон программ для осуществления двусторонней связи через одну очередь сообщений

    Наличие у сообщений типов позволяет организовать двустороннюю связь между процессами через одну и ту же очередь сообщений. Процесс 1 может посылать процессу 2 сообщения с типом 1, а получать от него сообщения с типом 2. При этом для выборки сообщений в обоих процессах следует пользоваться вторым способом выбора (см. раздел "Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC"). Напишите, откомпилируйте и прогоните программы, осуществляющие двустороннюю связь через одну очередь сообщений.

    Понятие мультиплексирования. Мультиплексирование сообщений. Модель взаимодействия процессов клиент-сервер. Неравноправность клиента и сервера

    Используя технику из предыдущего примера, мы можем организовать получение сообщений одним процессом от множества других процессов через одну очередь сообщений и отправку им ответов через ту же очередь сообщений, т.е. осуществить мультиплексирование сообщений. Вообще под мультиплексированием информации понимают возможность одновременного обмена информацией с несколькими партнерами. Метод мультиплексирования широко применяется в модели взаимодействия процессов клиент-сервер. В этой модели один из процессов является сервером. Сервер получает запросы от других процессов – клиентов – на выполнение некоторых действий и отправляет им результаты обработки запросов. Чаще всего модель клиент-сервер используется при разработке сетевых приложений, с которыми мы столкнемся в материалах завершающих семинаров курса. Она изначально предполагает, что взаимодействующие процессы неравноправны:

  • Сервер, как правило, работает постоянно, на всем протяжении жизни приложения, а клиенты могут работать эпизодически.
  • Сервер ждет запроса от клиентов, инициатором же взаимодействия является клиент.
  • Как правило, клиент обращается к одному серверу за раз, в то время как к серверу могут одновременно поступать запросы от нескольких клиентов.
  • Клиент должен знать, как обратиться к серверу (например, какого типа сообщения он воспринимает) перед началом организации запроса к серверу, в то время как сервер может получить недостающую информацию о клиенте из пришедшего запроса.
    •

    Рассмотрим следующую схему мультиплексирования сообщений через одну очередь сообщений для модели клиент-сервер. Пусть сервер получает из очереди сообщений только сообщения с типом 1. В состав сообщений с типом 1, посылаемых серверу, процессы-клиенты включают значения своих идентификаторов процесса. Приняв сообщение с типом 1, сервер анализирует его содержание, выявляет идентификатор процесса, пославшего запрос, и отвечает клиенту, посылая сообщение с типом, равным идентификатору запрашивавшего процесса. Процесс-клиент после отправления запроса ожидает ответа в виде сообщения с типом, равным своему идентификатору. Поскольку идентификаторы процессов в системе различны, и ни один пользовательский процесс не может иметь PID равный 1, все сообщения могут быть прочитаны только теми процессами, которым они адресованы. Если обработка запроса занимает продолжительное время, сервер может организовывать параллельную обработку запросов, порождая для каждого запроса новый процесс-ребенок или новую нить исполнения.

    Написание, компиляция и прогон программ клиента и сервера

    Напишите, откомпилируйте и прогоните программы сервера и клиентов для предложенной схемы мультиплексирования сообщений.

    Использование очередей сообщений для синхронизации работы процессов

    В лекции 6 была доказана эквивалентность очередей сообщений и семафоров в системах, где процессы могут использовать разделяемую память. В частности, было показано, как реализовать семафоры с помощью очередей сообщений. Для этого вводился специальный синхронизирующий процесс-сервер, обслуживающий переменные-счетчики для каждого семафора. Процессы-клиенты для выполнения операции над семафором посылали процессу-серверу запросы на выполнение операции и ожидали ответа для продолжения работы. Теперь мы знаем, как это можно сделать в операционной системе UNIX и как, следовательно, можно использовать очереди сообщений для организации взаимоисключений и взаимной синхронизации процессов.

    Задача повышенной сложности: реализуйте семафоры через очереди сообщений.

    Страницы:

    Сообщения как средства связи и средства синхронизации процессов

    В материалах предыдущих семинаров были представлены такие средства организации взаимодействия процессов из состава средств System V IPC, как разделяемая память (семинары 6–7) и семафоры (семинар 8). Третьим и последним, наиболее семантически нагруженным средством, входящим в System V IPC, являются очереди сообщений. В лекции 6 говорилось о модели сообщений как о способе взаимодействия процессов через линии связи, в котором на передаваемую информацию накладывается определенная структура, так что процесс, принимающий данные, может четко определить, где заканчивается одна порция информации и начинается другая. Такая модель позволяет задействовать одну и ту же линию связи для передачи данных в двух направлениях между несколькими процессами. Мы также рассматривали возможность использования сообщений с встроенными механизмами взаимоисключения и блокировки при чтении из пустого буфера и записи в переполненный буфер для организации синхронизации процессов.

    В материалах этого семинара речь пойдет об использовании очередей сообщений System V IPC для обеспечения обеих названных функций.

    Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC

    Так как очереди сообщений входят в состав средств System V IPC, для них верно все, что говорилось ранее об этих средствах в целом и уже знакомо нам. Очереди сообщений, как и семафоры, и разделяемая память, являются средством связи с непрямой адресацией, требуют инициализации для организации взаимодействия процессов и специальных действий для освобождения системных ресурсов по окончании взаимодействия. Пространством имен очередей сообщений является то же самое множество значений ключа, генерируемых с помощью функции ftok() (см. семинары 6–7 раздел "Пространство имен. Адресация в System V IPC. Функция ftok() "). Для выполнения примитивов send и receive, введенных в лекции 6, соответствующим системным вызовам в качестве параметра передаются IPC-дескрипторы (см. семинары 6–7 раздел "Дескрипторы System V IPC") очередей сообщений, однозначно идентифицирующих их во всей вычислительной системе.

    Очереди сообщений располагаются в адресном пространстве ядра операционной системы в виде однонаправленных списков и имеют ограничение по объему информации, хранящейся в каждой очереди. Каждый элемент списка представляет собой отдельное сообщение. Сообщения имеют атрибут, называемый типом сообщения . Выборка сообщений из очереди (выполнение примитива receive ) может осуществляться тремя способами:

  • В порядке FIFO, независимо от типа сообщения.
  • В порядке FIFO для сообщений конкретного типа.
  • Первым выбирается сообщение с минимальным типом, не превышающим некоторого заданного значения, пришедшее раньше других сообщений с тем же типом.
    •

    Реализация примитивов send и receive обеспечивает скрытое от пользователя взаимоисключение во время помещения сообщения в очередь или его получения из очереди. Также она обеспечивает блокировку процесса при попытке выполнить примитив receive над пустой очередью или очередью, в которой отсутствуют сообщения запрошенного типа, или при попытке выполнить примитив send для очереди, в которой нет свободного места.

    Очереди сообщений, как и другие средства System V IPC, позволяют организовать взаимодействие процессов, не находящихся одновременно в вычислительной системе.

    Создание очереди сообщений или доступ к уже существующей. Системный вызов msgget()

    Для создания очереди сообщений, ассоциированной с определенным ключом, или доступа по ключу к уже существующей очереди используется системный вызов msgget() , являющийся аналогом системных вызовов shmget() для разделяемой памяти и semget() для массива семафоров, который возвращает значение IPC-дескриптора для этой очереди. При этом существуют те же способы создания и доступа, что и для разделяемой памяти или семафоров (см. семинары 6–7 раздел "Разделяемая память в UNIX. Системные вызовы shmget(), shmat(), shmdt() " и см. семинар 8 раздел "Создание массива семафоров или доступ к уже существующему. Системный вызов semget() ", соответственно).

    Системный вызов msgget()

    Прототип системного вызова

    #include <types.h>
#include <ipc.h>
#include <msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgget предназначен для выполнения операции доступа к очереди сообщений и, в случае ее успешного завершения, возвращает дескриптор System V IPC для этой очереди (целое неотрицательное число, однозначно характеризующее очередь сообщений внутри вычислительной системы и использующееся в дальнейшем для других операций с ней).

    Параметр key является ключом System V IPC для очереди сообщений, т. е. фактически ее именем из пространства имен System V IPC. В качестве значения этого параметра может быть использовано значение ключа, полученное с помощью функции ftok(), или специальное значение IPC_PRIVATE. Использование значения IPC_PRIVATE всегда приводит к попытке создания новой очереди сообщений с ключом, который не совпадает со значением ключа ни одной из уже существующих очередей и не может быть получен с помощью функции ftok() ни при одной комбинации ее параметров.

    Параметр msgflg – флаги – играет роль только при создании новой очереди сообщений и определяет права различных пользователей при доступе к очереди, а также необходимость создания новой очереди и поведение системного вызова при попытке создания. Он является некоторой комбинацией (с помощью операции побитовое или – " | ") следующих предопределенных значений и восьмеричных прав доступа:

  • IPC_CREAT — если очереди для указанного ключа не существует, она должна быть создана;
  • IPC_EXCL — применяется совместно с флагом IPC_CREAT. При совместном их использовании и существовании массива с указанным ключом доступ к очереди не производится и констатируется ошибочная ситуация, при этом переменная errno, описанная в файле <errno.h>, примет значение EEXIST ;
  • 0400 — разрешено чтение для пользователя, создавшего очередь;
  • 0200 — разрешена запись для пользователя, создавшего очередь;
  • 0040 — разрешено чтение для группы пользователя, создавшего очередь;
  • 0020 — разрешена запись для группы пользователя, создавшего очередь;
  • 0004 — разрешено чтение для всех остальных пользователей;
  • 0002 — разрешена запись для всех остальных пользователей;
    •

    Очередь сообщений имеет ограничение по общему количеству хранимой информации, которое может быть изменено администратором системы. Текущее значение ограничения можно узнать с помощью команды

    ipcs -l

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение дескриптора System V IPC для очереди сообщений при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Реализация примитивов send и receive. Системные вызовы msgsnd() и msgrcv()

    Для выполнения примитива send используется системный вызов msgsnd() , копирующий пользовательское сообщение в очередь сообщений, заданную IPC-дескриптором. При изучении описания этого вызова обратите особое внимание на следующие моменты:

  • Тип данных struct msgbuf не является типом данных для пользовательских сообщений, а представляет собой лишь шаблон для создания таких типов. Пользователь сам должен создать структуру для своих сообщений, в которой первым полем должна быть переменная типа long, содержащая положительное значение типа сообщения.
  • В качестве третьего параметра – длины сообщения – указывается не вся длина структуры данных, соответствующей сообщению, а только длина полезной информации, т. е. информации, располагающейся в структуре данных после типа сообщения. Это значение может быть и равным 0 в случае, когда вся полезная информация заключается в самом факте прихода сообщения (сообщение используется как сигнальное средство связи).
  • В материалах семинаров мы, как правило, будем использовать нулевое значение флага системного вызова, которое приводит к блокировке процесса при отсутствии свободного места в очереди сообщений.
    •

    Системный вызов msgsnd()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *ptr,
int length, int flag);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgsnd предназначен для помещения сообщения в очередь сообщений, т. е. является реализацией примитива send.

    Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди, в которую отправляется сообщение, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    Структура struct msgbuf описана в файле <sys/msg.h> как

    struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[1];
};

    Она представляет собой некоторый шаблон структуры сообщения пользователя. Сообщение пользователя – это структура, первый элемент которой обязательно имеет тип long и содержит тип сообщения, а далее следует информативная часть теоретически произвольной длины (практически в Linux она ограничена размером 4080 байт и может быть еще уменьшена системным администратором), содержащая собственно суть сообщения. Например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
char mtext[1024];
} mybuf;

    При этом информация вовсе не обязана быть текстовой, например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
struct {
int iinfo;
float finfo;
} info;
} mybuf;

    Тип сообщения должен быть строго положительным числом. Действительная длина полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения) должна быть передана системному вызову в качестве параметра length. Этот параметр может быть равен и 0, если вся полезная информация заключается в самом факте наличия сообщения. Системный вызов копирует сообщение, расположенное по адресу, на который указывает параметр ptr, в очередь сообщений, заданную дескриптором msqid.

    Параметр flag может принимать два значения: 0 и IPC_NOWAIT. Если значение флага равно 0, и в очереди не хватает места для того, чтобы поместить сообщение, то системный вызов блокируется до тех пор, пока не освободится место. При значении флага IPC_NOWAIT системный вызов в этой ситуации не блокируется, а констатирует возникновение ошибки с установлением значения переменной errno, описанной в файле <errno.h>, равным EAGAIN.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение 0 при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Примитив receive реализуется системным вызовом msgrcv() . При изучении описания этого вызова нужно обратить особое внимание на следующие моменты:

  • Тип данных struct msgbuf, как и для вызова msgsnd() , является лишь шаблоном для пользовательского типа данных.
  • Способ выбора сообщения (см. раздел " Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC" текущего семинара) задается нулевым, положительным или отрицательным значением параметра type. Точное значение типа выбранного сообщения можно определить из соответствующего поля структуры, в которую системный вызов скопирует сообщение.
  • Системный вызов возвращает длину только полезной части скопированной информации, т. е. информации, расположенной в структуре после поля типа сообщения.
  • Выбранное сообщение удаляется из очереди сообщений.
  • В качестве параметра length указывается максимальная длина полезной части информации, которая может быть размещена в структуре, адресованной параметром ptr.
  • В материалах семинаров мы будем, как правило, пользоваться нулевым значением флагов для системного вызова, которое приводит к блокировке процесса в случае отсутствия в очереди сообщений с запрошенным типом и к ошибочной ситуации в случае, когда длина информативной части выбранного сообщения превышает длину, специфицированную в параметре length.
    •

    Системный вызов msgrcv()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *ptr,
int length, long type, int flag);

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgrcv предназначен для получения сообщения из очереди сообщений, т. е. является реализацией примитива receive.

    Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди, из которой должно быть получено сообщение, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    Параметр type определяет способ выборки сообщения из очереди следующим образом

    Способ выборки Значение параметра type
    В порядке FIFO, независимо от типа сообщения 0
    В порядке FIFO для сообщений с типом n n
    Первым выбирается сообщение с минимальным типом, не превышающим значения n, пришедшее ранее всех других сообщений с тем же типом -n

    Структура struct msgbuf описана в файле <sys/msg.h> как

    struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[1];
};

    Она представляет собой некоторый шаблон структуры сообщения пользователя. Сообщение пользователя – это структура, первый элемент которой обязательно имеет тип long и содержит тип сообщения, а далее следует информативная часть теоретически произвольной длины (практически в Linux она ограничена размером 4080 байт и может быть еще уменьшена системным администратором), содержащая собственно суть сообщения. Например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
char mtext[1024];
} mybuf;

    При этом информация вовсе не обязана быть текстовой, например:

    struct mymsgbuf {
long mtype;
struct {
int iinfo;
float finfo;
} info;
} mybuf;

    Параметр length должен содержать максимальную длину полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения), которая может быть размещена в сообщении.

    В случае удачи системный вызов копирует выбранное сообщение из очереди сообщений по адресу, указанному в параметре ptr, одновременно удаляя его из очереди сообщений.

    Параметр flag может принимать значение 0 или быть какой-либо комбинацией флагов IPC_NOWAIT и MSG_NOERROR. Если флаг IPC_NOWAIT не установлен и очередь сообщений пуста или в ней нет сообщений с заказанным типом, то системный вызов блокируется до появления запрошенного сообщения. При установлении флага IPC_NOWAIT системный вызов в этой ситуации не блокируется, а констатирует возникновение ошибки с установлением значения переменной errno, описанной в файле <errno.h>, равным EAGAIN. Если действительная длина полезной части информации в выбранном сообщении превышает значение, указанное в параметре length и флаг MSG_NOERROR не установлен, то выборка сообщения не производится, и фиксируется наличие ошибочной ситуации. Если флаг MSG_NOERROR установлен, то в этом случае ошибки не возникает, а сообщение копируется в сокращенном виде.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает при нормальном завершении действительную длину полезной части информации (т. е. информации, расположенной в структуре после типа сообщения), скопированной из очереди сообщений, и значение -1 при возникновении ошибки.

    Максимально возможная длина информативной части сообщения в операционной системе Linux составляет 4080 байт и может быть уменьшена при генерации системы. Текущее значение максимальной длины можно определить с помощью команды

    ipcs -l

    Удаление очереди сообщений из системы с помощью команды ipcrm или системного вызова msgctl()

    После завершения процессов, использовавших очередь сообщений, она не удаляется из системы автоматически, а продолжает сохраняться в системе вместе со всеми невостребованными сообщениями до тех пор, пока не будет выполнена специальная команда или специальный системный вызов. Для удаления очереди сообщений можно воспользоваться уже знакомой нам командой ipcrm, которая в этом случае примет вид:

    ipcrm msg <IPC идентификатор>

    Для получения IPC идентификатора очереди сообщений примените команду ipcs. Можно удалить очередь сообщений и с помощью системного вызова msgctl() . Этот вызов умеет выполнять и другие операции над очередью сообщений, но в рамках данного курса мы их рассматривать не будем. Если какой-либо процесс находился в состоянии ожидание при выполнении системного вызова msgrcv() или msgsnd() для удаляемой очереди, то он будет разблокирован, и системный вызов констатирует наличие ошибочной ситуации.

    Системный вызов msgctl()

    Прототип системного вызова

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

    Описание системного вызова

    Системный вызов msgctl предназначен для получения информации об очереди сообщений, изменения ее атрибутов и удаления из системы. Данное описание не является полным описанием системного вызова, а ограничивается рамками текущего курса. Для изучения полного описания обращайтесь к UNIX Manual.

    В нашем курсе мы будем пользоваться системным вызовом msgctl только для удаления очереди сообщений из системы. Параметр msqid является дескриптором System V IPC для очереди сообщений, т. е. значением, которое вернул системный вызов msgget() при создании очереди или при ее поиске по ключу.

    В качестве параметра cmd в рамках нашего курса мы всегда будем передавать значение IPC_RMID – команду для удаления очереди сообщений с заданным идентификатором. Параметр buf для этой команды не используется, поэтому мы всегда будем подставлять туда значение NULL.

    Возвращаемое значение

    Системный вызов возвращает значение 0 при нормальном завершении и значение -1 при возникновении ошибки.

    Прогон примера с однонаправленной передачей текстовой информации

    Для иллюстрации сказанного рассмотрим две простые программы.

    /* Программа 09-1a.c для иллюстрации работы с 
очередями сообщений */ 
/* Эта программа получает доступ к очереди 
сообщений, отправляет в нее 5 текстовых сообщений с типом 1 и одно
пустое сообщение с типом 255, которое будет служить для программы 
09-1b.c сигналом прекращения работы. */ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#define LAST_MESSAGE 255 /* Тип сообщения для 
    прекращения работы программы 09-1b.c */ 
int main()
{
    int msqid; /* IPC дескриптор для очереди сообщений */
char pathname[] = "09-1a.c"; /* Имя файла, 
        использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
        именем должен существовать в текущей директории */
    key_t key; /* IPC ключ */ 
    int i,len; /* Счетчик цикла и длина 
        информативной части сообщения */
    /* Ниже следует пользовательская структура для 
        сообщения */
    struct mymsgbuf
    { 
        long mtype;
        char mtext[81]; 
    } mybuf;
    /* Генерируем IPC ключ из имени файла 09-1a.c в текущей 
    директории и номера экземпляра очереди сообщений 0. */
    if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
        printf("Can\'t generate key\n");
        exit(-1);
    }
    /* Пытаемся получить доступ по ключу к очереди сообщений, 
    если она существует, или создать ее, с правами доступа 
    read  write для всех пользователей */ 
    if((msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
        printf("Can\'t get msqid\n");
        exit(-1);
    } 
    /* Посылаем в цикле 5 сообщений с типом 1 
    в очередь сообщений, идентифицируемую msqid.*/
    for (i = 1; i <= 5; i++){
        /* Сначала заполняем структуру для нашего 
        сообщения и определяем длину информативной части */ 
        mybuf.mtype = 1;
        strcpy(mybuf.mtext, "This is text message");
        len = strlen(mybuf.mtext)+1;
        /* Отсылаем сообщение. В случае ошибки сообщаем об 
        этом и удаляем очередь сообщений из системы. */ 
        if (msgsnd(msqid, (struct msgbuf *) mybuf, 
            len, 0) < 0){
            printf("Can\'t send message to queue\n");
            msgctl(msqid, IPC_RMID, 
                (struct msqid_ds *) NULL);
            exit(-1);
        }
    }
    /* Отсылаем сообщение, которое заставит получающий процесс
    прекратить работу, с типом LAST_MESSAGE и длиной 0 */ 
    mybuf.mtype = LAST_MESSAGE;
    len = 0;
    if (msgsnd(msqid, (struct msgbuf *) mybuf, 
        len, 0) < 0){
        printf("Can\'t send message to queue\n");
        msgctl(msqid, IPC_RMID, 
            (struct msqid_ds *) NULL);
        exit(-1);
    }
    return 0;
}
    /* Программа 09-1b.c для иллюстрации работы с 
очередями сообщений */ 
/* Эта программа получает доступ к очереди сообщений и читает из
нее сообщения с любым типом в порядке FIFO до тех пор, пока не 
получит сообщение с типом 255, которое будет служить сигналом 
прекращения работы. */ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#define LAST_MESSAGE 255 /* Тип сообщения для 
    прекращения работы */ 
int main()
{
    int msqid; /* IPC дескриптор для очереди сообщений */
    char pathname[] = "09-1a.c"; /* Имя файла, 
        использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
        именем должен существовать в текущей директории */
    key_t key; /* IPC ключ */ 
    int len, maxlen; /* Реальная длина и максимальная 
        длина информативной части сообщения */
    /* Ниже следует пользовательская структура для сообщения */
    struct mymsgbuf
    { 
        long mtype;
        char mtext[81]; 
    } mybuf;
    /* Генерируем IPC ключ из имени файла 09-1a.c в текущей 
    директории и номера экземпляра очереди сообщений 0 */
    if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
        printf("Can\'t generate key\n");
        exit(-1);
    }
    /* Пытаемся получить доступ по ключу к очереди сообщений, 
    если она существует, или создать ее, с правами доступа 
    read  write для всех пользователей */ 
    if((msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
        printf("Can\'t get msqid\n");
        exit(-1);
    } 
    while(1){
        /* В бесконечном цикле принимаем сообщения 
любого типа в порядке FIFO с максимальной длиной информативной 
части 81 символ до тех пор, пока не поступит сообщение с 
типом LAST_MESSAGE*/ 
        maxlen = 81;
        if(( len = msgrcv(msqid, 
            (struct msgbuf *) mybuf, maxlen, 0, 0) < 0){
            printf("Can\'t receive message from queue\n");
            exit(-1);
        }
        /* Если принятое сообщение имеет тип LAST_MESSAGE, 
        прекращаем работу и удаляем очередь сообщений из 
        системы. В противном случае печатаем текст принятого 
        сообщения. */
        if (mybuf.mtype == LAST_MESSAGE){
            msgctl(msqid, IPC_RMID, 
            (struct msqid_ds *) NULL);
        exit(0);
        }
        printf("message type = %ld, info = %s\n", 
        mybuf.mtype, mybuf.mtext);
    }
    return 0; /* Исключительно для отсутствия 
        warning'ов при компиляции. */
}

    Первая из этих программ посылает пять текстовых сообщений с типом 1 и одно сообщение нулевой длины с типом 255 второй программе. Вторая программа в цикле принимает сообщения любого типа в порядке FIFO и печатает их содержимое до тех пор, пока не получит сообщение с типом 255. Сообщение с типом 255 служит для нее сигналом к завершению работы и ликвидации очереди сообщений. Если перед запуском любой из программ очередь сообщений еще отсутствовала в системе, то программа создаст ее.

    Обратите внимание на использование сообщения с типом 255 в качестве сигнала прекращения работы второго процесса. Это сообщение имеет нулевую длину, так как его информативность исчерпывается самим фактом наличия сообщения.

    Наберите программы, сохраните под именами 09-1а.с и 09-1b.c cоответственно, откомпилируйте и проверьте правильность их поведения.

    Модификация предыдущего примера для передачи числовой информации

    В описании системных вызовов msgsnd() и msgrcv() говорится о том, что передаваемая информации не обязательно должна представлять собой текст.

    Мы можем воспользоваться очередями сообщений для передачи данных любого вида. При передаче разнородной информации целесообразно информативную часть объединять внутри сообщения в отдельную структуру:

    struct mymsgbuf { 
    long mtype;
    struct { 
        short sinfo;
        float finfo;
    } info;
} mybuf;

    для правильного вычисления длины информативной части. В некоторых вычислительных системах числовые данные размещаются в памяти с выравниванием на определенные адреса (например, на адреса, кратные 4). Поэтому реальный размер памяти, необходимой для размещения нескольких числовых данных, может оказаться больше суммы длин этих данных, т. е. в нашем случае

    sizeof(info)>=sizeof(short)+sizeof(float)

    Для полной передачи информативной части сообщения в качестве длины нужно указывать не сумму длин полей, а полную длину структуры. Модифицируйте предыдущие программы 09-1a.c и 09-1b.c из раздела "Прогон примера с однонаправленной передачей текстовой информации" для передачи нетекстовых сообщений.

    Написание, компиляция и прогон программ для осуществления двусторонней связи через одну очередь сообщений

    Наличие у сообщений типов позволяет организовать двустороннюю связь между процессами через одну и ту же очередь сообщений. Процесс 1 может посылать процессу 2 сообщения с типом 1, а получать от него сообщения с типом 2. При этом для выборки сообщений в обоих процессах следует пользоваться вторым способом выбора (см. раздел "Очереди сообщений в UNIX как составная часть System V IPC"). Напишите, откомпилируйте и прогоните программы, осуществляющие двустороннюю связь через одну очередь сообщений.

    Понятие мультиплексирования. Мультиплексирование сообщений. Модель взаимодействия процессов клиент-сервер. Неравноправность клиента и сервера

    Используя технику из предыдущего примера, мы можем организовать получение сообщений одним процессом от множества других процессов через одну очередь сообщений и отправку им ответов через ту же очередь сообщений, т.е. осуществить мультиплексирование сообщений. Вообще под мультиплексированием информации понимают возможность одновременного обмена информацией с несколькими партнерами. Метод мультиплексирования широко применяется в модели взаимодействия процессов клиент-сервер. В этой модели один из процессов является сервером. Сервер получает запросы от других процессов – клиентов – на выполнение некоторых действий и отправляет им результаты обработки запросов. Чаще всего модель клиент-сервер используется при разработке сетевых приложений, с которыми мы столкнемся в материалах завершающих семинаров курса. Она изначально предполагает, что взаимодействующие процессы неравноправны:

  • Сервер, как правило, работает постоянно, на всем протяжении жизни приложения, а клиенты могут работать эпизодически.
  • Сервер ждет запроса от клиентов, инициатором же взаимодействия является клиент.
  • Как правило, клиент обращается к одному серверу за раз, в то время как к серверу могут одновременно поступать запросы от нескольких клиентов.
  • Клиент должен знать, как обратиться к серверу (например, какого типа сообщения он воспринимает) перед началом организации запроса к серверу, в то время как сервер может получить недостающую информацию о клиенте из пришедшего запроса.
    •

    Рассмотрим следующую схему мультиплексирования сообщений через одну очередь сообщений для модели клиент-сервер. Пусть сервер получает из очереди сообщений только сообщения с типом 1. В состав сообщений с типом 1, посылаемых серверу, процессы-клиенты включают значения своих идентификаторов процесса. Приняв сообщение с типом 1, сервер анализирует его содержание, выявляет идентификатор процесса, пославшего запрос, и отвечает клиенту, посылая сообщение с типом, равным идентификатору запрашивавшего процесса. Процесс-клиент после отправления запроса ожидает ответа в виде сообщения с типом, равным своему идентификатору. Поскольку идентификаторы процессов в системе различны, и ни один пользовательский процесс не может иметь PID равный 1, все сообщения могут быть прочитаны только теми процессами, которым они адресованы. Если обработка запроса занимает продолжительное время, сервер может организовывать параллельную обработку запросов, порождая для каждого запроса новый процесс-ребенок или новую нить исполнения.

    Написание, компиляция и прогон программ клиента и сервера

    Напишите, откомпилируйте и прогоните программы сервера и клиентов для предложенной схемы мультиплексирования сообщений.

    Использование очередей сообщений для синхронизации работы процессов

    В лекции 6 была доказана эквивалентность очередей сообщений и семафоров в системах, где процессы могут использовать разделяемую память. В частности, было показано, как реализовать семафоры с помощью очередей сообщений. Для этого вводился специальный синхронизирующий процесс-сервер, обслуживающий переменные-счетчики для каждого семафора. Процессы-клиенты для выполнения операции над семафором посылали процессу-серверу запросы на выполнение операции и ожидали ответа для продолжения работы. Теперь мы знаем, как это можно сделать в операционной системе UNIX и как, следовательно, можно использовать очереди сообщений для организации взаимоисключений и взаимной синхронизации процессов.

    Задача повышенной сложности: реализуйте семафоры через очереди сообщений.

    Предыдущее занятие Следующее занятие
    Вернуться к учебному плану
    ^