Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

• Название: Операционная система UNIX
• Автор: Андрей Робачевский
• Издательство: BHV - Санкт-Петербург
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 1997
• ISBN: 5-7791-0057-8

Книга посвящена семейству операционных систем UNIX и содержит информацию о принципах организации, идеологии и архитектуре, объединяющих различные версии этой операционной системы.

В книге рассматриваются: архитектура ядра UNIX (подсистемы ввода/вывода, управления памятью и процессами, а также файловая подсистема), программный интерфейс UNIX (системные вызовы и основные библиотечные функции), пользовательская среда (командный интерпретатор shell, основные команды и утилиты) и сетевая поддержка в UNIX (протоколов семейства TCP/IP, архитектура сетевой подсистемы, программные интерфейсы сокетов и TLI).

Для широкого круга пользователей

---

Вспомним наследуемые атрибуты при создании процесса. Дочерний процесс наследует и разделяет все назначенные файловые дескрипторы родительского. То есть доступ к дескрипторам fildes канала может получить сам процесс, вызвавший pipe(2), и его дочерние процессы. В этом заключается серьезный недостаток каналов, поскольку они могут быть использованы для передачи данных только между родственными процессами. Каналы не могут использоваться в качестве средства межпроцессного взаимодействия между независимыми процессами.

Хотя в приведенном примере может показаться, что процессы cat(1) и wc(1) независимы, на самом деле оба этих процесса создаются процессом shell и являются родственными.

Рис. 3.17. Создание канала между задачами cat(1) и wc(1)

FIFO

Название каналов FIFO происходит от выражения First In First Out (первый вошел — первый вышел). FIFO очень похожи на каналы, поскольку являются однонаправленным средством передачи данных, причем чтение данных происходит в порядке их записи. Однако в отличие от программных каналов, FIFO имеют имена, которые позволяют независимым процессам получить к этим объектам доступ. Поэтому иногда FIFO также называют именованными каналами. FIFO являются средством UNIX System V и не используются в BSD. Впервые FIFO были представлены в System III, однако они до сих пор не документированы и поэтому мало используются.

FIFO является отдельным типом файла в файловой системе UNIX (ls -l покажет символ p в первой позиции, см. раздел "Файлы и файловая система UNIX" главы 1). Для создания FIFO используется системный вызов mknod(2):

int mknod(char *pathname, int mode, int dev);

где pathname — имя файла в файловой системе (имя FIFO),

mode — флаги владения, прав доступа и т.д. (см. поле mode файла),

dev — при создании FIFO игнорируется.

FIFO может быть создан и из командной строки shell:

$ mknod name p

После создания FIFO может быть открыт на запись и чтение, причем запись и чтение могут происходить в разных независимых процессах.

Каналы FIFO и обычные каналы работают по следующим правилам:

1. При чтении меньшего числа байтов, чем находится в канале или FIFO, возвращается требуемое число байтов, остаток сохраняется для последующих чтений.

2. При чтении большего числа байтов, чем находится в канале или FIFO, возвращается доступное число байтов. Процесс, читающий из канала, должен соответствующим образом обработать ситуацию, когда прочитано меньше, чем заказано.

3. Если канал пуст и ни один процесс не открыл его на запись, при чтении из канала будет получено 0 байтов. Если один или более процессов открыли канал для записи, вызов read(2) будет заблокирован до появления данных (если для канала или FIFO не установлен флаг отсутствия блокирования O_NDELAY).

4. Запись числа байтов, меньшего емкости канала или FIFO, гарантированно атомарно. Это означает, что в случае, когда несколько процессов одновременно записывают в канал, порции данных от этих процессов не перемешиваются.

5. При записи большего числа байтов, чем это позволяет канал или FIFO, вызов write(2) блокируется до освобождения требуемого места. При этом атомарность операции не гарантируется. Если процесс пытается записать данные в канал, не открытый ни одним процессом на чтение, процессу генерируется сигнал SIGPIPE, а вызов write(2) возвращает 0 с установкой ошибки (errno=ERRPIPE) (если процесс не установил обработки сигнала SIGPIPE, производится обработка по умолчанию — процесс завершается).

В качестве примера приведем простейший пример приложения клиент- сервер, использующего FIFO для обмена данными. Следуя традиции, клиент посылает серверу сообщение "Здравствуй, Мир!", а сервер выводит это сообщение на терминал.

Сервер:

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#define FIFO "fifo.1"

#define MAXBUFF 80

main() {

 int readfd, n;

 char buff[MAXBUFF]; /* буфер для чтения данных из FIFO */

 /* Создадим специальный файл FIFO с открытыми для всех

    правами доступа на чтение и запись */

 if (mknod(FIFO, S_IFIFO | 0666, 0) < 0) {

  printf("Невозможно создать FIFO\n");

  exit(1);

 }

 /* Получим доступ к FIFO */

 if ((readfd = open(FIFO, O_RDONLY)) < 0) {

  printf("Невозможно открыть FIFO\n");

  exit(1);

 }

 /* Прочитаем сообщение ("Здравствуй, Мир!") и выведем его

    на экран */

 while ((n = read(readfd, buff, MAXBUFF)) > 0)

  if {write(1, buff, n) != n) {

   printf("Ошибка вывода\n");

   exit(1);

  }

 /* Закроем FIFO, удаление FIFO - дело клиента */

 close(readfd);

 exit(0);

}

Клиент:

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

/* Соглашение об имени FIFO */

#define FIFO "fifo.1"

main() {

 int writefd, n;

 /* Получим доступ к FIFO */

 if ((writefd = open(FIFO, O_WRONLY)) < 0) {

  printf("Невозможно открыть FIFO\n");

  exit(1);

 }

 /* Передадим сообщение серверу FIFO */

 if (write(writefd, "Здравствуй, Мир!\n", 18) != 18) {

  printf("Ошибка записи\n");

  exit(1);

 }

 /* Закроем FIFO */

 close(writefd);

 /* Удалим FIFO */

 if (unlink(FIFO) < 0) {

  printf("Невозможно удалить FIFO\n");

  exit(1);

 }

 exit(0);

}

Идентификаторы и имена в IPC

Как было показано, отсутствие имен у каналов делает их недоступными для независимых процессов. Этот недостаток устранен у FIFO, которые имеют имена. Другие средства межпроцессного взаимодействия, являющиеся более сложными, требуют дополнительных соглашений по именам и идентификаторам. Множество возможных имен объектов конкретного типа межпроцессного взаимодействия называется пространством имен (name space). Имена являются важным компонентом системы межпроцессного взаимодействия для всех объектов, кроме каналов, поскольку позволяют различным процессам получить доступ к общему объекту. Так, именем FIFO является имя файла именованного канала. Используя условленное имя созданного FIFO два процесса могут обращаться к этому объекту для обмена данными.

Для таких объектов IPC, как очереди сообщений, семафоры и разделяемая память, процесс назначения имени является более сложным, чем просто указание имени файла. Имя для этих объектов называется ключом (key) и генерируется функцией ftok(3C) из двух компонентов — имени файла и идентификатора проекта:

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(char* filename, char proj);

В качестве filename можно использовать имя некоторого файла, известное взаимодействующим процессам. Например, это может быть имя программы-сервера. Важно, чтобы этот файл существовал на момент создания ключа. Также нежелательно использовать имя файла, который создается и удаляется в процессе работы распределенного приложения, поскольку при генерации ключа используется номер inode файла. Вновь созданный файл может иметь другой inode и впоследствии процесс, желающий иметь доступ к объекту, получит неверный ключ.

Пространство имен позволяет создавать и совместно использовать IPC неродственным процессам. Однако для ссылок на уже созданные объекты используются идентификаторы, точно так же, как файловый дескриптор используется для работы с файлом, открытым по имени.

Каждое из перечисленных IPC имеет свой уникальный дескриптор (идентификатор), используемый ОС (ядром) для работы с объектом. Уникальность дескриптора обеспечивается уникальностью дескриптора для каждого из типов объектов (очереди сообщений, семафоры и разделяемая память), т.е. какая-либо очередь сообщений может иметь тот же численный идентификатор, что и разделяемая область памяти (хотя любые две очереди сообщений должны иметь различные идентификаторы).

Таблица 3.5. Идентификация объектов IPC

Объект IPC Пространство имен Дескриптор Канал – Файловый дескриптор FIFO Имя файла Файловый дескриптор Очередь сообщений Ключ Идентификатор Объект IPC Пространство имен Дескриптор Семафор Ключ Идентификатор Разделяемая память Ключ Идентификатор

Работа с объектами IPC System V во многом сходна. Для создания или получения доступа к объекту используются соответствующие системные вызовы get: msgget(2) для очереди сообщений, semget(2) для семафора и shmget(2) для разделяемой памяти. Все эти вызовы возвращают дескриптор объекта в случае успеха и -1 в случае неудачи. Отметим, что функции get позволяют процессу получить ссылку на объект, которой по существу является возвращаемый дескриптор, но не позволяют производить конкретные операции над объектом (помещать или получать сообщения из очереди сообщений, устанавливать семафор или записывать данные в разделяемую память. Все функции get в качестве аргументов используют ключ key и флажки создания объекта ipcflag. Остальные аргументы зависят от конкретного типа объекта. Переменная ipcflag определяет права доступа к объекту PERM, а также указывает, создается ли новый объект или требуется доступ к существующему. Последнее определяется комбинацией (или отсутствием) флажков IPC_CREAT и IPC_EXCL.