UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

Теперь информация передается между клиентом и сервером в такой последовательности:

■ сервер получает доступ к объекту разделяемой памяти, используя для синхронизации семафор (например);

■ сервер считывает данные из файла в разделяемую память. Второй аргумент вызова read (адрес буфера) указывает на объект разделяемой памяти;

■ после завершения операции считывания клиент уведомляется сервером с помощью семафора;

■ клиент записывает данные из объекта разделяемой памяти в выходной файл. 

Рис. 12.2. Копирование файла через разделяемую память

Этот сценарий иллюстрирует рис. 12.2.

Из этого рисунка видно, что копирование данных происходит всего лишь дважды: из входного файла в разделяемую память и из разделяемой памяти в выходной файл. Мы нарисовали два прямоугольника штриховыми линиями; они подчеркивают, что разделяемая память принадлежит как адресному пространству клиента, так и адресному пространству сервера.

Концепции, связанные с использованием разделяемой памяти через интерфейсы Posix и System V, похожи. Первый интерфейс описан в главе 13, а второй — в главе 14.

В этой главе мы возвращаемся к примеру с увеличением последовательного номера, который впервые появился в главе 9. Теперь мы будем хранить последовательный номер в сегменте разделяемой памяти, а не в файле.

Сначала мы подчеркнем, что память разделяется между родительским и дочерним процессами при вызове fork. В пpoгрaммe из листинга 12.1[1] родительский и дочерний процессы по очереди увеличивают глобальный целочисленный счетчик count.

Листинг 12.1. Увеличение глобального счетчика родительским и дочерним процессами

//shm/incr1.c

1  #include "unpipc.h"

2  #define SEM_NAME "mysem"

3  int count = 0;

4  int

5  main(int argc, char **argv)

6  {

7   int i, nloop;

8   sem_t *mutex;

9   if (argc != 2)

10   err_quit("usage: incr1 <#loops>");

11  nloop = atoi(argv[1]);

12  /* создание, инициализация и удаление семафора */

13  mutex = Sem_open(Px_ipc_name(SEM_NAME), O_CREAT | O_EXCL, FILE_MODE, 1);

14  Sem_unlink(Px_ipc_name(SEM_NAME));

15  setbuf(stdout, NULL); /* stdout не буферизуется */

16  if (Fork() == 0) { /* дочерний процесс */

17   for (i = 0; i < nloop; i++) {

18    Sem_wait(mutex);

19    printf("child: %dn", count++);

20    Sem_post(mutex);

21   }

22   exit(0);

23  }

24  /* родительский процесс */

25  for (i = 0; i < nloop; i++) {

26   Sem_wait(mutex);

27   printf("parent: %dr", count++);

28   Sem_post(mutex);

29  }

30  exit(0);

31 }

Создание и инициализация семафора

12-14 Мы создаем и инициализируем семафор, защищающий переменную, которую мы считаем глобальной (count). Поскольку предположение о ее глобальности ложно, этот семафор на самом деле не нужен. Обратите внимание, что мы удаляем семафор из системы вызовом sem_unlink, но хотя файл с соответствующим полным именем при этом и удаляется, на открытый в данный момент семафор эта команда не действует. Этот вызов мы делаем для того, чтобы файл был удален даже при досрочном завершении программы.

Отключение буферизации стандартного потока вывода и вызов fork

15 Мы отключаем буферизацию стандартного потока вывода, поскольку запись в него будет производиться и родительским, и дочерним процессами. Это предотвращает смешивание вывода из двух процессов.

16-29 Родительский и дочерний процессы увеличивают глобальный счетчик в цикле заданное число раз, выполняя операции только при установленном семафоре.

Если мы запустим эту программу на выполнение и посмотрим на результат, обращая внимание только на те строки, где система переключается между родительским и дочерним процессами, мы увидим вот что:

child: 0     дочерний процесс запущен первым,count=О

child; 1

…

child; 678

child: 679

parent: 0    дочерний процесс приостановлен, запускается родительский

             процесс и отсчет начинается с О

parent: 1

…

parent: 1220

parent: 1221

child: 680   родительский процесс приостанавливается, начинает

             выполняться дочерний процесс

child: 681

…

child: 2078

child: 2079

parent: 1222 дочерний процесс приостанавливается, начинает выполняться

             родительский процесс

parent: 1223 и т. д.

Как видно, каждый из процессов использует собственную копию глобального счетчика count. Каждый начинает со значения 0 и при прохождении цикла увеличивает значение своей копии счетчика. На рис. 12.3 изображен родительский процесс перед вызовом fork.

Рис. 12.3. Родительский процесс перед вызовом fork

При вызове fork дочерний процесс запускается с собственной копией данных родительского процесса. На рис. 12.4 изображены оба процесса после возвращения из fork.

Рис. 12.4. Родительский и дочерний процессы после возвращения из fork

Мы видим, что родительский и дочерний процессы используют отдельные копии счетчика count.

12.2. Функции mmap, munmap и msync

Функция mmap отображает в адресное пространство процесса файл или объект разделяемой памяти Posix. Мы используем эту функцию в следующих ситуациях:

1. С обычными файлами для обеспечения ввода-вывода через отображение в память (раздел 12.3).

2. Со специальными файлами для обеспечения неименованного отображения памяти (разделы 12.4 и 12.5).

3. С shm_open для создания участка разделяемой неродственными процессами памяти Posix.

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

/* Возвращает начальный адрес участка памяти в случае успешного завершения. MAP_FAILED – в случае ошибки */

Аргумент addr может указывать начальный адрес участка памяти процесса, в который следует отобразить содержимое дескриптора fd. Обычно ему присваивается значение нулевого указателя, что говорит ядру о необходимости выбрать начальный адрес самостоятельно. В любом случае функция возвращает начальный адрес сегмента памяти, выделенной для отображения.

Аргумент len задает длину отображаемого участка в байтах; участок может начинаться не с начала файла (или другого объекта), а с некоторого места, задаваемого аргументом offset. Обычно offset = 0. На рис. 12.5 изображена схема отображения объекта в память.

Рис. 12.5. Пример отображения файла в память

Защита участка памяти с отображенным объектом обеспечивается с помощью аргумента prot и констант, приведенных в табл. 12.1. Обычное значение этого аргумента — PROT_READ | PROT_WRITE, что обеспечивает доступ на чтение и запись.

Таблица 12.1. Аргумент prot для вызова mmap

prot Описание PROT_READ Данные могут быть считаны PROT_WRITE Данные могут быть записаны PROT_EXEC Данные могут быть выполнены PROT_NONE Доступ к данным закрыт

Таблица 12.2. Аргумент flag для вызова mmap

flag Описание MAP SHARED Изменения передаются другим процессам MAP_PRIVATE Изменения не передаются другим процессам и не влияют на отображенный объект MAP_FIXED Аргумент addr интерпретируется как адрес памяти

Аргумент flags может принимать значения из табл. 12.2. Можно указать только один из флагов — MAP_SHARED или MAP_PRIVATE, прибавив к нему при необходимости MAP_FIXED. Если указан флаг MAP_PRIVATE, все изменения будут производиться только с образом объекта в адресном пространстве процесса; другим процессам они доступны не будут. Если же указан флаг MAP_SHARED, изменения отображаемых данных видны всем процессам, совместно использующим объект.

Для обеспечения переносимости пpoгрaмм флаг MAP_FIXED указывать не следует. Если он не указан, но аргумент addr представляет собой ненулевой указатель, интерпретация этого аргумента зависит от реализации. Ненулевое значение addr обычно трактуется как указатель на желаемую область памяти, в которую нужно произвести отображение. В переносимой программе значение addr должно быть нулевым и флаг MAP_FIXED не должен быть указан.