Программирование для Linux. Профессиональный подход

В главе 3, "Процессы", описывалась процедура создания процесса и рассказывалось о том, как родительский процесс может получить код завершения дочернего процесса. Это простейшая форма взаимодействия двух процессов, но не самая эффективная. Рассмотренные в главе 3 механизмы позволяли процессу-предку общаться с процессом-потомком только посредством аргументов командной строки и переменных среды, а все, что мог сделать для предка потомок, — вернуть свой код завершения. Такие механизмы не позволяют контролировать выполняющийся процесс или обращаться к внешнему, независимому процессу.

В этой главе будет показано, как обойти упомянутые ограничения путем организации взаимодействия процессов. Между собой могут общаться не только родительский и дочерний процессы, но также "неродственные" процессы и даже процессы, выполняющиеся на разных компьютерах.

Взаимодействие процессов — это механизм обмена данными между процессами. Взять, к примеру, ситуацию, когда броузер запрашивает Web-страницу у сервера, который в ответ высылает HTML-данные. Обычно при этом используются сокеты, работающие через телефонное соединение. Или другой пример: пользователь вводит команду ls | lpr, чтобы вывести на печать список файлов в каталоге. Интерпретатор команд создает два отдельных процесса — ls и lpr — и соединяет их каналом, который представлен символом '|'. Канал — это однонаправленный способ передачи данных от одного процесса к другому. Процесс ls записывает данные в канал, а процесс lpr читает данные из него.

В этой главе рассматриваются пять способов взаимодействия процессов.

■ Совместно используемая память — процессы могут просто читать и записывать данные в рамках заданной области памяти.

■ Отображаемая память — напоминает совместно используемую память, но организуется связь с файлами.

■ Каналы — позволяют последовательно передавать данные от одного процесса к другому.

■ FIFO-файлы — в отличие от каналов, с ними работают несвязанные процессы, поскольку у такого файла есть имя в файловой системе и к нему может обратиться любой процесс.

■ Сокеты — соединяют несвязанные процессы, работающие на разных компьютерах.

Различия между способами взаимодействия определяются следующими критериями:

■ ограничено ли взаимодействие рамками связанных процессов (имеющих общего предка) или же соединяются процессы, выполняющиеся в одной файловой системе либо на разных компьютерах:

■ ограничен ли процесс только чтением либо только записью данных;

■ число взаимодействующих процессов;

■ синхронизируются ли взаимодействующие процессы (например, должен ли читающий процесс перейти в режим ожидания при отсутствии данных на входе).

5.1. Совместно используемая память

Простейшим способом взаимодействия процессов является совместный доступ к общей области памяти. Это выглядит так, как если бы два или более процесса вызвали функцию malloc и получили указатели на один и тот же блок памяти. Когда один из процессов меняет содержимое памяти, другие процессы замечают это изменение.

5.1.1. Быстрое локальное взаимодействие

Совместное использование памяти — самый быстрый способ взаимодействия. Процесс обращается к общей памяти с той же скоростью, что и к своей собственной памяти, и никаких системных вызовов или обращений к ядру не требуется. Устраняется также ненужное копирование данных.

Ядро не синхронизирует доступ процессов к общей памяти — об этом следует позаботиться программисту. Например, процесс не должен читать данные из совместно используемой памяти, пока в нее осуществляется запись, и два процесса не должны одновременно записывать данные в одну и ту же область памяти. Стандартная стратегия предотвращения подобной конкуренции заключается в использовании семафоров, о которых пойдет речь в раздаче 5.2, "Семафоры для процессов". Тем не менее в приводимом далее примере программы доступ к памяти осуществляет только один процесс: просто мы хотим сконцентрировать внимание читателей на механизме совместного использования памяти и не перегружать программу кодом синхронизации.

5.1.2. Модель памяти

При совместном использовании сегмента памяти один процесс должен сначала выделить память. Затем все остальные процессы, которые хотят получить доступ к ней, должны подключить сегмент. По окончании работы с сегментом каждый процесс отключает его. Последний процесс освобождает память.

Для того чтобы понять принципы выделения и подключения сегментов памяти, необходимо разобраться в модели памяти Linux. В Linux виртуальная память (ВП) каждого процесса разбита на страницы. Все процессы хранят таблицу соответствий между своими адресами памяти и страницами ВП, содержащими реальные данные. Несмотря на то что за каждым процессом закреплены свои адреса, разным процессам разрешается ссылаться на одни и те же страницы. Это и есть совместное использование памяти.

При выделении совместно используемого сегмента памяти создаются страницы ВП. Это действие должно выполняться только одни раз, так как все остальные процессы будут обращаться к этому же сегменту. Если запрашивается выделение существующего сегмента, новые страницы не создаются; вместо этого возвращается идентификатор существующих страниц. Чтобы сделать сегмент общедоступным, процесс подключает его, при этом создаются адресные ссылки на страницы сегмента. По окончании работы с сегментом адресные ссылки удаляются. Когда все процессы завершили работу с сегментом, один (и только один) из них должен освободить страницы виртуальной памяти.

Размер совместно используемого сегмента кратен размеру страницы ВП. В Linux последняя величина обычно равна 4 Кбайт, но никогда не помешает это проверить с помощью функции getpagesize.

5.1.3. Выделение сегментов памяти

Процесс выделяет сегмент памяти с помощью функции shmget. Первым аргументом функции является целочисленный ключ, идентифицирующий создаваемый сегмент. Если несвязанные процессы хотят получить доступ к одному и тому же сегменту, они должны указать одинаковый ключ. К сожалению, ничто не мешает посторонним процессам выбрать тот же самый ключ сегмента, а это приведет к системному конфликту. Указание специальной константы IPC_PRIVATE в качестве ключа позволяет гарантировать, что будет создан совершенно новый сегмент.

Во втором аргументе функции задается размер сегмента в байтах. Это значение округляется, чтобы быть кратным размеру страницы ВП.

Третий параметр содержит набор битовых флагов. Перечислим наиболее важные из них.

■ IPC_CREAT. Указывает на то, что создается новый сегмент, которому присваивается заданный ключ.

■ IPC_EXCL. Всегда используется совместно с флагом IPC_CREAT и заставляет функцию shmget выдать ошибку в случае, когда сегмент с указанным ключом уже существует. Если флаг не указан и возникает описанная ситуация, функция shmget возвращает идентификатор существующего сегмента, не создавая новый сегмент.

■ Флаги режима. В эту группу входят 9 флагов, задающих права доступа к сегменту для владельца, группы и остальных пользователей. Биты выполнения игнорируются. Проще всего задавать права доступа с помощью констант, определенных в файле <sys/stat.h> (они описаны на man– странице функции stat). [15] Например, флаги S_IRUSR и S_IWUSR предоставляют право чтения и записи владельцу сегмента, а флаги S_IROTH и S_IWOTH предоставляют аналогичные права остальным пользователям.

15

Эти же константы используются при работе с файлами. Они описываются в разделе 10.3. "Права доступа к файлам".