Средства System V IPC. Организация работы с разделяемой памятью в UNIX. Понятие нитей исполнения (thread)

Преимущества и недостатки потокового обмена данными.

На предыдущем семинаре мы познакомились с механизмами, обеспечивающими потоковую передачу данных между процессами в операционной системе UNIX, а именно с pip'ами и FIFO. Потоковые механизмы достаточно просты в реализации и удобны для использования, но имеют ряд существенных недостатков:

• Операции чтения и записи не анализируют содержимое передаваемых данных. Процесс, прочитавший 20 байт из потока, не может сказать, были ли они записаны одним процессом или несколькими, записывались ли они за один раз или было, например, выполнено 4 операции записи по 5 байт. Данные в потоке никак не интерпретируются системой. Если требуется какая-либо интерпретация данных, то передающий и принимающий процессы должны заранее согласовать свои действия и уметь осуществлять ее самостоятельно.
• Для передачи информации от одного процесса к другому требуется, как минимум, две операции копирования данных: первый раз – из адресного пространства передающего процесса в системный буфер, второй раз – из системного буфера в адресное пространство принимающего процесса.
• Процессы, обменивающиеся информацией, должны одновременно существовать в вычислительной системе. Нельзя записать информацию в поток с помощью одного процесса, завершить его, а затем, через некоторое время, запустить другой процесс и прочитать записанную информацию.

Понятие о System V IPC

Указанные выше недостатки потоков данных привели к разработке других механизмов передачи информации между процессами. Часть этих механизмов, впервые появившихся в UNIX System V и впоследствии перекочевавших оттуда практически во все современные версии операционной системы UNIX, получила общее название System V IPC (IPC – сокращение от interprocess communications). В группу System V IPC входят: очереди сообщений, разделяемая память и семафоры. Эти средства организации взаимодействия процессов связаны не только общностью происхождения, но и обладают схожим интерфейсом для выполнения подобных операций, например, для выделения и освобождения соответствующего ресурса в системе. Мы будем рассматривать их в порядке от менее семантически нагруженных с точки зрения операционной системы к более семантически нагруженным. Иными словами, чем позже мы начнем заниматься каким-либо механизмом из System V IPC, тем больше действий по интерпретации передаваемой информации придется выполнять операционной системе при использовании этого механизма. Часть этого семинара мы посвятим изучению разделяемой памяти. Семафоры будут рассматриваться на семинаре 8, а очереди сообщений – на семинаре 9.

Пространство имен. Адресация в System V IPC. Функция ftok()

Все средства связи из System V IPC, как и уже рассмотренные нами pipe и FIFO, являются средствами связи с непрямой адресацией. Как мы установили на предыдущем семинаре, для организации взаимодействия неродственных процессов с помощью средства связи с непрямой адресацией необходимо, чтобы это средство связи имело имя. Отсутствие имен у pip'ов позволяет процессам получать информацию о расположении pip'а в системе и его состоянии только через родственные связи. Наличие ассоциированного имени у FIFO – имени специализированного файла в файловой системе – позволяет неродственным процессам получать эту информацию через интерфейс файловой системы.

Множество всех возможных имен для объектов какого-либо вида принято называть пространством имен соответствующего вида объектов. Для FIFO пространством имен является множество всех допустимых имен файлов в файловой системе. Для всех объектов из System V IPC таким пространством имен является множество значений некоторого целочисленного типа данных – key_t – ключа. Причем программисту не позволено напрямую присваивать значение ключа, это значение задается опосредованно: через комбинацию имени какого-либо файла, уже существующего в файловой системе, и небольшого целого числа – например, номера экземпляра средства связи.

Такой хитрый способ получения значения ключа связан с двумя соображениями:

• Если разрешить программистам самим присваивать значение ключа для идентификации средств связи, то не исключено, что два программиста случайно воспользуются одним и тем же значением, не подозревая об этом. Тогда их процессы будут несанкционированно взаимодействовать через одно и то же средство коммуникации, что может привести к нестандартному поведению этих процессов. Поэтому основным компонентом значения ключа является преобразованное в числовое значение полное имя некоторого файла, доступ к которому на чтение разрешен процессу. Каждый программист имеет возможность использовать для этой цели свой специфический файл, например исполняемый файл, связанный с одним из взаимодействующих процессов. Следует отметить, что преобразование из текстового имени файла в число основывается на расположении указанного файла на жестком диске или ином физическом носителе. Поэтому для образования ключа следует применять файлы, не меняющие своего положения в течение времени организации взаимодействия процессов;
• Второй компонент значения ключа используется для того, чтобы позволить программисту связать с одним и тем же именем файла более одного экземпляра каждого средства связи. В качестве такого компонента можно задавать порядковый номер соответствующего экземпляра.

Получение значения ключа из двух компонентов осуществляется функцией ftok() .

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(char *pathname, char proj);

Еще раз подчеркнем три важных момента, связанных с использованием имени файла для получения ключа. Во-первых, необходимо указывать имя файла, который уже существует в файловой системе и для которого процесс имеет право доступа на чтение (не путайте с заданием имени файла при создании FIFO, где указывалось имя для вновь создаваемого специального файла). Во-вторых, указанный файл должен сохранять свое положение на диске до тех пор, пока все процессы, участвующие во взаимодействии, не получат ключ System V IPC. В-третьих, задание имени файла, как одного из компонентов для получения ключа, ни в коем случае не означает, что информация, передаваемая с помощью ассоциированного средства связи, будет располагаться в этом файле. Информация будет храниться внутри адресного пространства операционной системы, а заданное имя файла лишь позволяет различным процессам сгенерировать идентичные ключи.

Дескрипторы System V IPC

Мы говорили (см. семинар 5 раздел "Файловый дескриптор" ), что информацию о потоках ввода-вывода, с которыми имеет дело текущий процесс, в частности о pip'ах и FIFO, операционная система хранит в таблице открытых файлов процесса. Системные вызовы, осуществляющие операции над потоком, используют в качестве параметра индекс элемента таблицы открытых файлов, соответствующего потоку, – файловый дескриптор. Использование файловых дескрипторов для идентификации потоков внутри процесса позволяет применять к ним уже существующий интерфейс для работы с файлами, но в то же время приводит к автоматическому закрытию потоков при завершении процесса. Этим, в частности, объясняется один из перечисленных выше недостатков потоковой передачи информации.

При реализации компонентов System V IPC была принята другая концепция. Ядро операционной системы хранит информацию обо всех средствах System V IPC, используемых в системе, вне контекста пользовательских процессов. При создании нового средства связи или получении доступа к уже существующему процесс получает неотрицательное целое число – дескриптор (идентификатор) этого средства связи, которое однозначно идентифицирует его во всей вычислительной системе. Этот дескриптор должен передаваться в качестве параметра всем системным вызовам, осуществляющим дальнейшие операции над соответствующим средством System V IPC.

Подобная концепция позволяет устранить один из самых существенных недостатков, присущих потоковым средствам связи – требование одновременного существования взаимодействующих процессов, но в то же время требует повышенной осторожности для того, чтобы процесс, получающий информацию, не принял взамен новых старые данные, случайно оставленные в механизме коммуникации.