UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

Что произойдет, если мы вызовем функцию sem_open, возвращающую указатель на тип sem_t, а затем вызовем fork? В описании функции fork в стандарте Posix.1 говорится, что «все открытые родительским процессом семафоры будут открыты и в дочернем процессе». Это означает, что нижеследующий код верен:

sem_t *mutex; /* глобальный указатель, копируемый, при вызове fork() */

…

/* родительский процесс создает именованный семафор */

mutex = Sem_open(Px_ipc_name(NAME), O_CREAT | O_EXCL, FILE_MODE, 0);

if ((childpid = Fork()) == 0) {

 /* дочерний процесс */

 …

 Sem_wait(mutex);

 …

}

/* родительский процесс */

…

Sem_post(mutex);

…

ПРИМЕЧАНИЕ

Причина, по которой следует аккуратно относиться к передаче семафоров при порождении процессов, заключается в том, что состояние семафора может храниться в переменной типа sem_t, но для его работы может требоваться и другая информация (например, дескрипторы файлов). В следующей главе мы увидим, что семафоры System V однозначно определяются их целочисленными идентификаторами, возвращаемыми функцией semget. Любой процесс, которому известен идентификатор, может получить доступ к семафору. Вся информация о семафоре System V хранится в ядре, а целочисленный идентификатор просто указывает номер семафора ядру.

10.13. Ограничения на семафоры

Стандартом Posix определены два ограничения на семафоры:

■ SEM_NSEMS_MAX — максимальное количество одновременно открытых семафоров для одного процесса (Posix требует, чтобы это значение было не менее 256);

■ SEM_VALUE_MAX — максимальное значение семафора (Posix требует, чтобы оно было не меньше 32767).

Две эти константы обычно определены в заголовочном файле <unistd.h> и могут быть получены во время выполнения вызовом sysconf, как мы показываем ниже.

Пример: программа semsysconf

Программа в листинге 10.20 вызывает sysconf и выводит два ограничения на семафоры, зависящие от конкретной реализации. 

Листинг 10.20. Вызов sysconf для получения ограничений на семафоры

//pxsem/semsysconf.с

1 #include "unpipc.h"

2 int

3 main(int argc, char **argv)

4 {

5  printf("SEM_NSEMS_MAX = %ld, SEM_VALUE_MAX = %ldn",

6   Sysconf(_SC_SEM_NSEMS_MAX), Sysconf(_SC_SEM_VALUE_MAX));

7  exit(0);

8 }

При запуске этой программы в наших двух тестовых системах получим следующий результат:

solaris % semsysconf

SEMS_NSEMS_MAX = 2147483647, SEM_VALUE_MAX = 2147483647

alpha % semsysconf

SEMS_NSEMS_MAX = 256, SEM_VALUE_MAX = 32767

10.14. Реализация с использованием FIFO

Займемся реализацией именованных семафоров Posix с помощью каналов FIFO. Именованный семафор реализуется как канал FIFO с конкретным именем. Неотрицательное количество байтов в канале соответствует текущему значению семафора. Функция sem_post помещает 1 байт в канал, a sem_wait считывает его оттуда (приостанавливая выполнение процесса, если канал пуст, а именно этого мы и хотим). Функция sem_open создает канал FIFO, если указан флаг O_CREAT; открывает его дважды (один раз на запись, другой — на чтение) и при создании нового канала FIFO помещает в него некоторое количество байтов, указанное в качестве начального значения.

ПРИМЕЧАНИЕ

Этот и последующие разделы данной главы содержат усложненный материал, который можно при первом чтении пропустить.

Приведем текст нашего заголовочного файла semaphore.h, определяющего фундаментальный тип sem_t (листинг 10.21).

Листинг 10.21. Заголовочный файл semaphore.h

//my_pxsem_fifo/semaphore.h

1  /* фундаментальный тип */

2  typedef struct {

3   int sem_fd[2]; /* два дескриптора fd: [0] для чтения, [1] для записи */

4   int sem_magic; /* магическое число */

5  } mysem_t;

6  #define SEM_MAGIC 0x89674523

7  #ifdef SEM_FAILED

8  #undef SEM_FAILED

9  #define SEM_FAILED ((mysem_t *)(-1)) /* чтобы компилятор не выдавал предупреждений*/

10 #endif

Тип данных sem_t

1-5 Новая структура данных содержит два дескриптора, один из которых предназначен для чтения из FIFO, а другой — для записи. Для единообразия мы храним оба дескриптора в массиве из двух элементов, в котором первый дескриптор всегда открыт на чтение, а второй — на запись.

Поле sem_magiс содержит значение SEM_MAGIC, если структура проинициализирована. Это значение проверяется всеми функциями, которым передается указатель на тип sem_t, чтобы гарантировать, что передан был действительно указатель на заранее инициализированную структуру, а не на произвольную область памяти. При закрытии семафора этому полю присваивается значение 0. Этот метод хотя и не совершенен, но дает возможность обнаружить некоторые ошибки при написании программ.

Функция sem_open

В листинге 10.22 приведен текст функции sem_open, которая создает новый семафор или открывает существующий.

Листинг 10.22. Функция sem_open

//my_pxsem_fifo/sem_open.с

1  #include "unpipc.h"

2  #include "semaphore.h"

3  #include <stdarg.h> /* для произвольного списка аргументов */

4  mysem_t *

5  mysem_open(const char *pathname, int oflag, …)

6  {

7   int i, flags, save_errno;

8   char c;

9   mode_t mode;

10  va_list ap;

11  mysem_t *sem;

12  unsigned int value;

13  if (oflag & O_CREAT) {

14   va_start(ap, oflag); /* ар инициализируется последним аргументом */

15   mode = va_arg(ap, va_mode_t);

16   value = va_arg(ap, unsigned int);

17   va_end(ap);

18   if (mkfifo(pathname, mode) < 0) {

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

20     oflag &= ~O_CREAT; /* уже существует, OK */

21    else

22     return(SEM_FAILED);

23   }

24  }

25  if ((sem = malloc(sizeof(mysem_t))) == NULL)

26   return(SEM_FAILED);

27  sem->sem_fd[0] = sem->sem_fd[1] = –1;

28  if ((sem->sem_fd[0] = open(pathname, O_RDONLY | O_NONBLOCK)) < 0)

29   goto error;

30  if ((sem->sem_fd[1] = open(pathname, O_WRONLY | O_NONBLOCK)) < 0)

31   goto error;

32  /* отключение неблокируемого режима для sem_fd[0] */

33  if ((flags = fcntl(sem->sem_fd[0], F_GETFL, 0)) < 0)

34   goto error;

35  flags &= ~O_NONBLOCK;

36  if (fcntl(sem->sem_fd[0], F_SETFL, flags) < 0)

37   goto error;

38  if (oflag & O_CREAT) { /* инициализация семафора */

39   for (i = 0; i < value; i++)

40    if (write(sem->sem_fd[1], &c, 1) != 1)

41   goto error;

42  }

43  sem->sem_magic = SEM_MAGIC;

44  return(sem);

45 error:

46  save_errno = errno;

47  if (oflag & O_CREAT)

48   unlink(pathname); /* если мы создали FIFO */

49  close(sem->sem_fd[0]); /* игнорируем ошибку */

50  close(sem->sem_fd[1]); /* игнорируем ошибку */

51  free(sem);

52  errno = save_errno;

53  return(SEM_FAILED);

54 }

Создание нового sсемафора

13-17 Если при вызове указан флаг O_CREAT, должно быть указано четыре аргумента, а не два. Мы вызываем va_start, после чего переменная ар указывает на последний явно указанный аргумент (oflag). Затем мы используем ар и функцию va_arg для получения значений третьего и четвертого аргументов. Работу со списком аргументов переменной длины и использование нашего типа va_mode_t мы обсуждали в связи с листингом 5.17.

Создание нового канала FIFO

18-23 Создается новый канал FIFO, имя которого было указано при вызове функции. Как мы отмечали в разделе 4.6, эта функция возвращает ошибку EEXIST, если канал уже существует. Если при вызове sem_open флаг O_EXCL не был указан, мы пропускаем эту ошибку; но нам не нужно будет инициализировать этот канал, так что мы при этом сбрасываем флаг O_CREAT.

Выделение памяти под тип sem_t и открытие FIFO на чтение и запись

25-37 Мы выделяем место для типа sem_t, который содержит два дескриптора. Затем мы дважды открываем канал FIFO: один раз только на чтение, а другой — только на запись. При этом мы не хотим блокирования при вызове open, поэтому указываем флаги O_NONBLOCK при открытии очереди только для чтения (вспомните табл. 4.1). Мы также указываем флаг O_NONBLOCK при открытии канала на запись, но это предназначено для обнаружения переполнения (на тот случай, если мы попытаемся записать больше, чем позволяет PIPE_BUF). После открытия канала мы отключаем неблокируемый режим для дескриптора, открытого на чтение.

Инициализация значения созданного семафора

38-42 Если мы создали семафор, его нужно проинициализировать, записав в канал FIFO value байтов. Если указанное при вызове значение value превышает определенное реализацией ограничение PIPE_BUF, вызов write после переполнения FIFO вернет ошибку с кодом EAGAIN.