Нейл Мэтью - Основы программирования в Linux

• Название: Основы программирования в Linux
• Автор: Нейл Мэтью
• Издательство: «БХВ-Петербург»
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-9775-0289-4

В четвертом издании популярного руководства даны основы программирования в операционной системе Linux. Рассмотрены: использование библиотек C/C++ и стан­дартных средств разработки, организация системных вызовов, файловый ввод/вывод, взаимодействие процессов, программирование средствами командной оболочки, создание графических пользовательских интерфейсов с помощью инструментальных средств GTK+ или Qt, применение сокетов и др. Описана компиляция программ, их компоновка c библиотеками и работа с терминальным вводом/выводом. Даны приемы написания приложений в средах GNOME® и KDE®, хранения данных с использованием СУБД MySQL® и отладки программ. Книга хорошо структурирована, что делает обучение легким и быстрым.

Для начинающих Linux-программистов

---

 int written_by_you;

 char some_text[TEXT_SZ];

};

В файле определена структура, которая будет применяться в обеих программах: потребителе и поставщике. Вы используете флаг written_by_you типа int для того, чтобы сообщить потребителю о том, что данные записаны в оставшуюся часть структуры, и произвольно решаете, что необходимо передать до 2 Кбайт текста.

2. Первая программа shm1.c — потребитель. После заголовочных файлов создается сегмент совместно используемой памяти (размер равен вашей структуре, описывающей совместно используемую память) с помощью вызова shmget с заданным битом IPC_CREAT.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/shm.h>

#include "shm_com.h"

int main() {

 int running = 1;

 void *shared_memory = (void *)0;

 struct shared_use_st *shared_stuff;

 int shmid;

 srand((unsigned int)getpid());

 shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st),

  0666 | IPC_CREAT);

 if (shmid == -1) {

  fprintf(stderr, "shmget failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

3. Теперь вы делаете совместно используемую память доступной программе.

 shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);

 if (shared memory == (void *)-1) {

  fprintf(stderr, "shmat failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);

4. В следующем фрагменте программы сегмент shared_memory присваивается переменной shared_stuff, из которой затем выводится любой текст, содержащийся в some_text. Цикл продолжает выполняться до тех пор, пока не найдена строка end в элементе some_text. Вызов функции sleep заставляет программу-потребителя оставаться в своей критической секции, что вынуждает поставщика ждать.

 shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;

 shared_stuff->written_by_you = 0;

 while (running) {

  if (shared_stuff->written_by_you) {

   printf("You wrote: %s", shared_stuff->some_text);

   sleep(rand() % 4);

   /* Заставляет другой процесс ждать нас! */

   shared_stuff->written_by_you = 0;

   if (strncmp(shared_stuff->some_text, "end", 3) == 0) {

    running = 0;

   }

  }

 }

5. В заключение совместно используемая память отсоединяется и удаляется.

 if (shmdt(shared_memory) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmdt failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

6. Вторая программа shm2.c — поставщик; она позволяет вводить данные для потребителей. Программа очень похожа на shm1.c и выглядит следующим образом.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/shm.h>

#include "shm_com.h"

int main() {

 int running = 1;

 void *shared_memory = (void *)0;

 struct shared_use_st *shared_stuff;

 char buffer[BUFSIZ];

 int shmid;

 shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT);

 if (shmid == -1) {

  fprintf(stderr, "shmget failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);

 if (shared_memory == (void *)-1) {

  fprintf(stderr, "shmat failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);

 shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;

 while (running) {

  while (shared_stuff->written_by_you == 1) {

   sleep(1);

   printf("waiting for client...\n");

  }

  printf("Enter same text: ");

  fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);

  strncpy(shared_stuff->some_text, buffer, TEXT_SZ);

  shared_stuff->written_by_you = 1;

  if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0) {

   running = 0;

  }

 }

 if (shmdt(shared_memory) == -1) {

  fprintf(stderr, "shmdt failed\n");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Когда вы выполните эти программы, то получите образец вывода, подобный следующему:

$ ./shm1 &

[1] 294

Memory attached at 40017000

$ ./shm2

Memory attached at 40017000

Enter some text: hello

You wrote: hello

waiting for client...

waiting for client...

Enter some text: Linux!

You wrote: Linux!

waiting for client...

waiting for client...

waiting for client...

Enter some text: end

You wrote: end

$

Как это работает

Первая программа shm1 создает сегмент совместно используемой памяти и затем присоединяет его к своему адресному пространству. Вы накладываете структуру shared_use_st на начальную область совместно используемой памяти. У нее есть флаг written_by_you, который устанавливается, когда данные доступны. Если флаг установлен, программа считывает текст, выводит его и сбрасывает флаг, чтобы показать, что данные прочитаны. Для корректного выхода из цикла примените специальную строку end. Далее программа отсоединяет сегмент совместно используемой памяти и удаляет его.

Вторая программа shm2 получает и присоединяет тот же самый сегмент совместно используемой памяти, поскольку она применяет тот же ключ 1234. Затем она просит пользователя ввести текст. Если флаг written_by_you установлен, shm2 знает, что клиентский процесс еще не считал предыдущую порцию данных и ждет завершения чтения. Когда другой процесс очищает флаг, shm2 записывает новые данные и устанавливает флаг. Она также пользуется магической строкой end для завершения записи и отсоединения сегмента совместно используемой памяти.

Обратите внимание на то, что вы вынуждены с помощью флага written_by_you предоставить собственный очень грубый механизм синхронизации, который включает очень неэффективное активное ожидание (с непрерывным циклом). Такой подход сохраняет простоту примера, но в реальных программах вам следует применить семафор либо передать сообщение с помощью неименованного канала или сообщений IPC (которые будут обсуждаться в следующем разделе), либо сгенерировать сигнал (как показано в главе 11), чтобы обеспечить более эффективный механизм синхронизации между читающей и пишущей частями приложения.

Очереди сообщений

Теперь рассмотрим третье и последнее средство System V IPC: очереди сообщений. Во многом очереди сообщений похожи на именованные каналы, но без сложностей, сопровождающих открытие и закрытие канала. Однако применение очереди сообщений не избавляет вас от проблем, возникающих при использовании именованных каналов, например блокировки заполненных каналов.

Очереди сообщений предоставляют очень легкий и эффективный способ передачи данных между двумя несвязанными процессами. У них есть преимущество по сравнению с именованными каналами, заключающееся в том, что очередь сообщений существует независимо как от отправляющего, так и от принимающего процессов, что устраняет некоторые трудности, возникающие при синхронизации открытия и закрытия именованных каналов.

Очереди сообщений обеспечивают отправку блока данных из одного процесса в другой. Кроме того, каждый блок данных наделяется типом, и принимающий процесс может получать независимо блоки данных, имеющие разные типы. Хорошо и то, что, отправляя сообщения, вы можете почти полностью избежать проблем синхронизации и блокировки, связанных с именованными каналами. Еще лучше то, что вы можете проявить предусмотрительность в отношении неотложных в том или ином смысле сообщений. К недостаткам следует отнести то, что, как и в случае каналов, в системе существует ограничение максимального объема блока данных и максимального объема всех блоков данных во всех очередях.

Наложив эти ограничения, стандарт X/Open не позаботился о способе выяснения их числовых значений за исключением того, что превышение ограничений — достаточное основание для аварийного завершения функций обработки очереди сообщений. В ОС Linux есть два определения: MSGMAX и MSGMNB, которые задают максимальный объем в байтах отдельного сообщения и максимальный объем очереди соответственно. В других системах эти макросы могут отличаться или просто отсутствовать.

Далее приведены объявления функций для работы с очередями сообщений:

#include <sys/msg.h>

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

int msgget(key_t key, int msgflg);

int msgrcv(int msqid, void *msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);

int msgsnd(int msqid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

Как и в случае семафоров или совместно используемой памяти, заголовочные файлы sys/types.h и sys/ipc.h обычно автоматически включаются заголовочным файлом msg.h.