UNIX: взаимодействие процессов

Задача производителей и потребителей является классическим примером для иллюстрации использования семафоров. В этой главе первое решение состояло из одного потока-производителя и одного потока-потребителя; второе решение имело нескольких производителей и одного потребителя, а последнее решение допускало одновременную работу и нескольких потребителей. Затем мы показали, что классическая задача двойной буферизации является частным случаем задачи производителей и потребителей с одним производителем и одним потребителем.

В этой главе было приведено три примера возможной реализации семафоров Posix. Первый пример был самым простым, в нем использовались каналы FIFO, а большая часть забот по синхронизации ложилась на ядро (функции read и write). Следующая реализация использовала отображение файлов в память (аналогично реализации очередей сообщений Posix из раздела 5.8), а также взаимное исключение и условную переменную (для синхронизации). Последняя реализация была основана на семафорах System V и представляла собой, по сути, удобный интерфейс для работы с ними.

Упражнения

1. Измените функции produce и consume из раздела 10.6 следующим образом. Поменяйте порядок двух вызовов Sem_wait в потребителе, чтобы возникла ситуация зависания (как описано в разделе 10.6). Затем добавьте вызов printf перед каждым Sem_wait, чтобы было ясно, какой из потоков ожидает изменения семафора. Добавьте еще один вызов printf после каждого Sem_wait, чтобы можно было определить, какой поток получил управление. Уменьшите количество буферов до двух, а затем откомпилируйте и выполните эту программу, чтобы убедиться, что она зависнет.

2. Предположим, что запущено четыре экземпляра программы, вызывающей функцию my_lock из листинга 10.10:

% lockpxsem & lockpxsem & lockpxsem & lockpxsem &

Каждый из четырех процессов запускается с значением initflag, равным 0, поэтому при вызове sem_open всегда указывается O_CREAT. Нормально ли это?

3. Что произойдет в предыдущем примере, если одна из четырех программ будет завершена после вызова my_lock, но перед вызовом my_unlock?

4. Что произошло бы с программой в листинге 10.22, если бы мы не инициализировали оба дескриптора значением –1?

5. Почему в листинге 10.22 мы сохраняем значение errno, а затем восстанавливаем его, вместо того чтобы написать просто:

if (sem->fd[0] >= 0) close(sem->fd[0]);
if (sem->fd[1] >= 0) close(sem->fd[1]);

6. Что произойдет, если два процесса вызовут нашу реализацию sem_open через FIFO (листинг 10.22) примерно одновременно, указывая флаг O_CREAT и начальное значение 5? Может ли канал быть инициализирован (неправильно) значением 10?

7. В связи с листингами 10.28 и 10.29 мы описали возможную ситуацию гонок в случае, если два процесса пытаются создать семафор примерно одновременно. Однако решение предыдущей задачи в листинге 10.22 не создавало ситуации гонок. Объясните это.

8. Стандарт Posix.1 указывает дополнительную возможность для функции semwait: она может прерываться перехватываемым сигналом и возвращать код EINTR. Напишите тестовую программу, которая определяла бы, есть ли такая возможность в вашей реализации.

Запустите эту тестовую программу с нашими реализациями, использующими FIFO (раздел 10.14), отображение в память (раздел 10.15) и семафоры System V (раздел 10.16).

9. Какая из трех реализаций sem_post этой главы является функцией типа async-signal-safe (табл. 5.1)?

10. Измените решение задачи о потребителе и производителе в разделе 10.6 так, чтобы для переменной mutex использовался тип pthread_mutex_t, а не семафор. Заметна ли разница в скорости работы программы?

11. Сравните быстродействие именованных семафоров (листинги 10.8 и 10.9) и размещаемых в памяти (листинг 10.11).

ГЛАВА 11 Семафоры System V

11.1.Введение

В главе 10 мы описывали различные виды семафоров, начав с:

■ бинарного семафора, который может принимать только два значения: 0 и 1. По своим свойствам такой семафор аналогичен взаимному исключению (глава 7), причем значение 0 для семафора соответствует блокированию ресурса, а 1 — освобождению.

Далее мы перешли к более сложному виду семафоров:

■ семафор-счетчик, значение которого лежит в диапазоне от 0 до некоторого ограничения, которое, согласно Posix, не должно быть меньше 32767. Они использовался для подсчета доступных ресурсов в задаче о производителях и потребителях, причем значение семафора соответствовало количеству доступных ресурсов.

Для обоих типов семафоров операция wait состояла в ожидании изменения значения семафора с нулевого на ненулевое и последующем уменьшении этого значения на 1. Операция post увеличивала значение семафора на 1, оповещая об этом все процессы, ожидавшие изменения значения семафора.

Для семафоров System V определен еще один уровень сложности:

■ набор семафоров-счетчиков — один или несколько семафоров, каждый из которых является счетчиком. На количество семафоров в наборе существует ограничение (обычно порядка 25 — раздел 11.7). Когда мы говорим о семафоре System V, мы подразумеваем именно набор семафоров-счетчиков, а когда говорим о семафоре Posix, подразумевается ровно один семафор-счетчик.

Для каждого набора семафоров ядро поддерживает следующую информационную структуру, определенную в файле <sys/sem.h>:

struct semid_ds {
 struct ipc_perm sem_perm; /* разрешения на операции */
 struct sem *sem_base; /*указатель на массив семафоров в наборе */
 ushort sem_nsems; /* количество семафоров в наборе */
 time_t sem_otime; /* время последнего вызова semop; */
 time_t sem_ctime; /* время создания последнего IPC_SET */
};

Структура ipc_perm была описана в разделе 3.3. Она содержит разрешения доступа для данного семафора.