Основы программирования в Linux

 static int semaphore_v(void) {
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1; /* V */
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
  fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
  return(0);
  }
  return(1);
 }

Обратите внимание на то, что эта простая программа разрешает существование единственного двоичного семафора для каждой программы, хотя можно было бы увеличить количество, передав переменную семафора при необходимости. Обычно одного бинарного семафора достаточно.

Вы можете протестировать вашу программу, запустив ее несколько раз. В первый раз вы передадите параметр, чтобы сообщить программе о том, что она отвечает за создание и удаление семафора. У других экземпляров выполняющейся программы не будет параметра.

Далее приведен примерный вывод для двух запущенных экземпляров программы:

 $ cc sem1.с -о sem1
 $ ./sem1 1 &
 [1] 1082
 $ ./sem1
 OOXXOOXXOOXXOOXXOOXXOOOOXXOOXXOOXXOOXXXX
 1083 - finished
 1082 - finished

Напоминаем, что символ О представляет первый запущенный экземпляр программы, а символ X — второй экземпляр выполняющейся программы. Поскольку каждый экземпляр программы выводит символ при входе в критическую секцию и при выходе из нее, каждый символ должен появляться только попарно. Как видите, символы О и Х на самом деле образуют пары, указывая на корректную обработку критических секций. Если программа не работает на вашей системе, можно применить команду stty -tostop перед запуском программы, чтобы гарантировать, что фоновая программа, генерирующая вывод на tty, не вызывает возбуждение сигнала.

Как это работает

Программа начинается с получения обозначения семафора на основе ключа (произвольного), который вы выбрали, применив функцию semget. Флаг IPC_CREAT приводит к созданию семафора, если он нужен.

Если у программы есть параметр, она отвечает за инициализацию семафора, которая выполняется функцией set_semvalue, упрощенным вариантом функции общего назначения semctl. Она также использует наличие параметра для определения символа вывода. Функция sleep просто предоставляет некоторое время для запуска других экземпляров программы до того, как данная программа выполнит слишком много проходов своего цикла. Для включения в программу нескольких псевдослучайных промежутков времени вы используете функции srand и rand.

Далее программа выполняет 10 раз операторы тела цикла с псевдослучайными периодами ожидания в своей критической и некритической секциях. Критическая секция охраняется вызовами ваших функций semaphore_p и semaphore_v, упрощенных интерфейсов функции более общего вида semop.

Перед удалением семафора программа, запущенная с параметром, ждет, пока завершится выполнение других экземпляров программы. Если семафор не удален, он будет продолжать существовать в системе, даже если нет программ, его использующих. В реальных программах очень важно убедиться в том, что вы случайно не оставили семафор после завершения выполнения. Он может вызвать проблемы при следующем запуске программы, кроме того, семафоры — разновидность ограниченных ресурсов, которые вы должны беречь.

Совместно используемая память

Совместно используемая или разделяемая память — вторая разновидность средств IPC. Она позволяет двум несвязанным процессам обращаться к одной и той же логической памяти. Хотя стандарт X/Open не требует этого, надо полагать, что большинство реализаций разделяемой памяти размещают память, совместно используемую разными процессами, так, что она ссылается на одну и ту же физическую память.

Совместно используемая память — это специальный диапазон адресов, создаваемых средствами IPC для одного процесса и включаемых в адресное пространство этого процесса. Другой процесс может затем "присоединить" тот же самый сегмент совместно используемой памяти к своему адресному пространству. Все процессы могут получать доступ к участкам памяти так, как будто эта память была выделена функцией malloc. Если один процесс записывает в совместно используемую память, изменения немедленно становятся видимыми любому другому процессу, имеющему доступ к этой совместно используемой памяти.

Совместно используемая память обеспечивает эффективный способ разделения и передачи данных между разными процессами. Сама по себе совместная используемая память не предоставляет никаких средств синхронизации, поэтому вы, как правило, вынуждены применять некоторые другие механизмы для синхронизации доступа к совместно используемой памяти. Обычно совместно используемая память применяется для обеспечения эффективного доступа к обширным областям памяти, а для синхронизации доступа к ней передаются небольшие сообщения.

Не существует автоматических средств для того, чтобы помешать второму процессу начать считывание совместно используемой памяти до того, как первый процесс закончит запись в нее. За синхронизацию доступа отвечает программист. На рис. 14.2 показан принцип работы совместно используемой памяти.

Рис. 14.2

Стрелки показывают отображение логического адресного пространства каждого процесса на доступную физическую память. На практике ситуация сложнее, потому что доступная память на самом деле представляет собой смесь физической памяти и страниц памяти, которые были выгружены на диск.

Функции для работы с совместно используемой памятью напоминают функции семафоров:

  #include <sys/shm.h>
  void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
  int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  int shmdt(const void *shm_addr);
  int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

Как и в случае семафоров, заголовочные файлы sys/types.h и sys/ipc.h автоматически включаются в программу файлом shm.h.

shmget

Создается совместно используемая память с помощью функции shmget:

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

Как и для семафоров, программа предоставляет key, фактически именующий сегмент совместно используемой памяти, а функция shmget возвращает идентификатор совместно используемой памяти, который применяется всеми последующими функциями для работы с этой областью памяти. Есть особое значение ключа IPC_PRIVATE, создающее для процесса частную, скрытую от других совместно используемую память. Обычно вы не будете пользоваться этим значением, да и кроме всего прочего в некоторых системах Linux можете обнаружить, что такая частная разделяемая память на самом деле далеко не частная.

Второй параметр size задает требуемый объем памяти в байтах.

Третий параметр shmflg содержит девять флагов прав доступа, которые используются так же, как флаги режима создающихся файлов. Для создания нового сегмента совместно используемой памяти специальный бит, описываемый IPC_CREAT, должен с помощью поразрядной операции OR быть объединен с правами доступа. Не считается ошибкой задание флага IPC_CREAT и передача ключа существующего сегмента совместно используемой памяти. Флаг IPC_CREAT, если в нем нет нужды, беззвучно игнорируется.