UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

Запустив эту программу на выполнение, мы увидим, что память, на которую указывает ptr, действительно используется совместно родительским и дочерним процессами. Приведем значения счетчика перед переключением процессов:

solaris % incr2 /tmp/temp.110000

child: 0     запускается дочерний процесс

child: 1

…

child: 128

child: 129

parent: 130  дочерний процесс приостанавливается, запускается родительский процесс

parent: 131

…

parent: 636

parent: 637

child: 638   родительский процесс приостанавливается, запускается дочерний процесс

child: 639

…

child: 1517

child: 1518

parent: 1519 дочерний процесс приостанавливается, запускается родительский процесс

parent: 1520

…

parent: 19999 последняя строка вывода

solaris % od –D /tmp/temp.1

0000000 0000020000

0000004

Поскольку использовалось отображение файла в память, мы можем взглянуть на его содержимое с помощью программы od и увидеть, что окончательное значение счетчика (20000) действительно было сохранено в файле.

На рис. 12.6 изображена схема, отличающаяся от рис. 12.4. Здесь используется разделяемая память и показано, что семафор также используется совместно. Семафор мы изобразили размещенным в ядре, но для семафоров Posix это не обязательно. В зависимости от реализации семафор может обладать различной живучестью, но она должна быть по крайней мере не меньше живучести ядра. Семафор может быть реализован также через отображение файла в память, что мы продемонстрировали в разделе 10.15. 

Рис. 12.6. Родительский и дочерний процессы используют разделяемую память и общий семафор 

Мы показали, что у родительского и дочернего процессов имеются собственные копии указателя ptr, но обе копии указывают на одну и ту же область памяти — счетчик, увеличиваемый обоими процессами.

Изменим программу в листинге 12.2 так, чтобы использовались семафоры Posix, размещаемые в памяти (вместо именованных). Разместим такой семафор в разделяемой области памяти. Новая программа приведена в листинге 12.3.

Листинг 12.3. Счетчик и семафор размещены в разделяемой памяти

//shm/incr3.c

1  #include "unpipc.h"

2  struct shared {

3   sem_t mutex; /* взаимное исключение: семафор, размещаемый в памяти */

4   int count; /* и счетчик */

5  } shared;

6  int

7  main(int argc, char **argv)

8  {

9   int fd, i, nloop;

10  struct shared *ptr;

11  if (argc != 3)

12   err_quit("usage: incr3 <pathname> <#loops>");

13  nloop = atoi(argv[2]);

14  /* открываем файл, инициализируем нулем, отображаем в память */

15  fd = Open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

16  Write(fd, &shared, sizeof(struct shared));

17  ptr = Mmap(NULL, sizeof(struct shared), PROT_READ | PROT_WRITE,

18   MAP_SHARED, fd, 0);

19  Close(fd);

20  /* инициализация семафора, совместно используемого процессами */

21  Sem_init(&ptr->mutex, 1, 1);

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

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

24   for (i = 0; i < nloop; i++) {

25    Sem_wait(&ptr->mutex);

26    printf("child: %dn", ptr->count++);

27    Sem_post(&ptr->mutex);

28   }

29   exit(0);

30  }

31  /* родительский процесс */

32  for (i = 0; i < nloop; i++) {

33   Sem_wait(&ptr->mutex);

34   printf("parent: %dn", ptr->count++);

35   Sem_post(&ptr->mutex);

36  }

37  exit(0);

38 } 

Определение структуры, хранящейся в разделяемой памяти

2-5 Помещаем целочисленный счетчик и семафор, защищающий его, в одну структуру. Эта структура будет храниться в разделяемой памяти.

Отображаем в память

14-19 Создается файл для отображения в память, который инициализируется структурой с нулевым значением обоих полей. При этом инициализируется только счетчик, поскольку семафор будет инициализирован позднее вызовом sem_init. Тем не менее проще инициализировать всю структуру нулями, чем только одно целочисленное поле.

Инициализация семафора

20-21 Используем семафор, размещаемый в памяти, вместо именованного. Для его инициализации единицей вызываем sem_init. Второй аргумент должен быть ненулевым, чтобы семафор мог совместно использоваться несколькими процессами.

На рис. 12.7 изображена модификация рис. 12.6, где семафор переместился из ядра в разделяемую память. 

Рис. 12.7. И семафор, и счетчик теперь хранятся в разделяемой памяти

12.4. Неименованное отображение в память в 4.4BSD

Наши примеры из листингов 12.2 и 12.3 работают отлично, но нам приходится создавать файл в файловой системе (аргумент командной строки), вызывать open, записывать нули в файл вызовом write (чтобы проинициализировать его). Если mmap используется для передачи области разделяемой памяти через fork, мы можем упростить эту схему, используя свойства реализации.

1. В версии 4.4BSD предоставляется возможность неименованного отображения в память. При этом полностью пропадает необходимость создавать или открывать файлы. Вместо этого указываются флаги MAP_SHARED | MAP_ANON и дескриптор fd = –1. Сдвиг, задаваемый аргументом offset, игнорируется. Память автоматически инициализируется нулями. Пример использования приведен в листинге 12.4.

2. В версии SVR4 имеется файл /dev/zero, который мы открываем и дескриптор которого указываем при вызове mmap. Это устройство возвращает нули при попытке считывания, а весь направляемый на него вывод сбрасывается. Пример использования приведен в листинге 12.5. (Во многих реализациях, произошедших от BSD, также поддерживается устройство /dev/zero, например в SunOS 4.1.x и BSD/OS 3.1.)

В листинге 12.4 приведена часть листинга 12.2, которая изменяется при переходе к использованию неименованного отображения в память в 4.4BSD.

Листинг 12.4. Отображение в память в 4.4BSD

//shm/incr_map_anon.с

3  int

4  main(int argc, char **argv)

5  {

6   int i, nloop;

7   int *ptr;

8   sem_t *mutex;

9   if (argc != 2)

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

11  nloop = atoi(argv[1]);

12  /* отображение в память */

13  ptr = Mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE,

14   MAP_SHARED | MAP_ANON, –1, 0);

6-11 Автоматические переменные fd и zero больше не используются, как и аргумент командной строки, задававший имя создаваемого файла.

12-14 Файл больше не нужно открывать. Вместо этого указывается флаг MAP_ANON при вызове mmap, а пятый аргумент этой функции (дескриптор) принимает значение –1.

12.5. Отображение в память в SVR4 с помощью /dev/zero

В листинге 12.5 приведена часть новой версии программы, претерпевшая изменения по сравнению с листингом 12.2 при переходе к использованию отображения с помощью /dev/zero.

Листинг 12.5. Отображение памяти в SVR4 с помощью /dev/zero

//shm/incr_dev_zero.c

3  int

4  main(int argc char **argv)

5  {

6   int fd, i, nloop;

7   int *ptr;

8   sem_t *mutex;

9   if (argc != 2)

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

11  nloop = atoi(argv[1]);

12  /* открываем /dev/zero и отображаем в память */

13  fd = Open("/dev/zero", O_RDWR);

14  ptr = Mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

15  Close(fd);

6-11 Автоматическая переменная zero больше не используется, как и аргумент командной строки, задававший имя создаваемого файла.

12-15 Мы открываем файл /dev/zero и передаем его дескриптор функции mmap. Область памяти будет гарантированно проинициализирована нулями.

12.6. Обращение к объектам, отображенным в память

Когда в память отображается обычный файл, размер полученной области (второй аргумент вызова mmap), как правило, совпадает с размером файла. Например, в листинге 12.3 размер файла устанавливается равным размеру структуры shared вызовом write и это же значение размера области используется при отображении его в память. Однако эти два параметра — размер файла и размер области памяти, в которую он отображен, — могут и отличаться.

Для детального изучения особенностей функции mmap воспользуемся программой в листинге 12.6.

Листинг 12.6. Отображение файла: размер файла совпадает с размером области памяти

//shra/test1.c

1  #include "unpipc.h"

2  int

3  main(int argc, char **argv)

4  {

5   int fd, i;