- •Н.В.Вдовикина, а.В.Казунин, и.В.Машечкин, а.Н.Терехин Системное программное обеспечение: взаимодействие процессов.
- •Часть I. Теоретические основы. 5
- •Часть II. Реализация процессов. 34
- •Часть III. Реализация взаимодействия процессов. 62
- •6.4Семафоры. 116
- •Часть I. Теоретические основы.
- •Введение.
- •Понятие процесса.
- •Некоторые типы процессов.
- •«Полновесные процессы»
- •«Легковесные процессы»
- •Жизненный цикл процесса.
- •Синхронизация параллельных процессов.
- •Способы реализации взаимного исключения.
- •Запрещение прерываний и специальные инструкции.
- •Алгоритм Петерсона.
- •Активное ожидание.
- •Семафоры.
- •Мониторы.
- •Дополнительная синхронизация: переменные-условия.
- •Обмен сообщениями.
- •Синхронизация.
- •Адресация.
- •Длина сообщения.
- •Классические задачи синхронизации процессов.
- •«Обедающие философы»
- •Задача «читателей и писателей»
- •Задача о «спящем парикмахере»
- •Часть II. Реализация процессов.
- •Реализация процессов в ос unix
- •Понятие процесса в unix.
- •Контекст процесса.
- •Тело процесса.
- •Аппаратный контекст.
- •Системный контекст.
- •Аппарат системных вызов в oc unix.
- •Порождение новых процессов.
- •Порождение сыновнего процесса. Идентификаторы процессов.
- •Порождение сыновнего процесса. Одновременное выполнение.
- •Механизм замены тела процесса.
- •Запуск на выполнение команды ls.
- •Вызов программы компиляции.
- •Использование схемы fork-exec
- •Завершение процесса.
- •Использование системного вызова wait()
- •Использование системного вызова wait()
- •Жизненный цикл процесса в ос unix.
- •Начальная загрузка. Формирование о и 1 процессов.
- •Планирование процессов в ос unix.
- •Планирование процессов.
- •Принципы организация свопинга.
- •Часть III. Реализация взаимодействия процессов.
- •Элементарные средства межпроцессного взаимодействия.
- •Сигналы.
- •Обработка сигнала.
- •Удаление временных файлов при завершении программы.
- •Программа “Будильник”.
- •Двухпроцессный вариант программы “Будильник”.
- •Надежные сигналы.
- •Работа с сигнальной маской.
- •Использование надежных сигналов.
- •Программные каналы
- •Использование канала.
- •Реализация конвейера.
- •Совместное использование сигналов и каналов – «пинг-понг».
- •Именованные каналы (fifo)
- •Модель «клиент-сервер».
- •Нелокальные переходы.
- •Использование нелокальных переходов.
- •Трассировка процессов.
- •Общая схема использования механизма трассировки.
- •Трассировка процессов.
- •Средства межпроцессного взаимодействия System V.
- •Организация доступа и именования в разделяемых ресурсах.
- •Именование разделяемых объектов.
- •Генерация ключей: функция ftok().
- •Общие принципы работы с разделяемыми ресурсами.
- •Очередь сообщений.
- •Доступ к очереди сообщений.
- •Отправка сообщения.
- •Получение сообщения.
- •Управление очередью сообщений.
- •Использование очереди сообщений.
- •Основной процесс.
- •Очередь сообщений. Модель «клиент-сервер»
- •Разделяемая память
- •Создание общей памяти.
- •Доступ к разделяемой памяти.
- •Открепление разделяемой памяти.
- •Управление разделяемой памятью.
- •Общая схема работы с общей памятью в рамках одного процесса.
- •Семафоры.
- •Доступ к семафору
- •Операции над семафором
- •Управление массивом семафоров.
- •Работа с разделяемой памятью с синхронизацией семафорами.
- •1Й процесс:
- •2Й процесс:
- •Взаимодействие процессов в сети.
- •Механизм сокетов.
- •Типы сокетов. Коммуникационный домен.
- •Создание и конфигурирование сокета. Создание сокета.
- •Связывание.
- •Предварительное установление соединения. Сокеты с установлением соединения. Запрос на соединение.
- •Сервер: прослушивание сокета и подтверждение соединения.
- •Прием и передача данных.
- •Завершение работы с сокетом.
- •Резюме: общая схема работы с сокетами.
- •Работа с локальными сокетами.
- •Пример работы с сокетами в рамках сети.
- •Среда параллельного программирования mpi
- •Краткий обзор параллельных архитектур.
- •Системы с распределенной памятью – mpp.
- •Системы с общей памятью – smp.
- •Системы с неоднородным доступом к памяти – numa.
- •Кластерные системы.
- •Модель программирования mpi.
- •Функции общего назначения. Общая структура программы.
- •Коммуникаторы и группы.
- •Обрамляющие функции. Инициализация и завершение.
- •Синхронизация: барьеры.
- •Использование барьерной синхронизации.
- •Прием и передача данных. Общие замечания.
- •Сообщения и их атрибуты.
- •Поддержка типов данных в mpi.
- •Коммуникации «точка-точка». Блокирующий режим.
- •Отправка сообщений в блокирующем режиме.
- •Режимы буферизации.
- •Прием сообщений в блокирующем режиме.
- •Mpi: прием сообщения, размер которого неизвестен заранее.
- •Коммуникации «точка-точка». Неблокирующий режим.
- •Отсылка и прием сообщений в неблокирующем режиме.
- •Работа с квитанциями.
- •Mpi: коммуникации «точка-точка». «Пинг-понг».
- •Коллективные коммуникации.
- •Коллективный обмен данными.
- •Коллективный обмен, совмещенный с обработкой данных.
- •Mpi: применение коллективных коммуникаций.
- •Алфавитный указатель упоминаемых библиотечных функций и системных вызовов.
- •Список литературы
-
Двухпроцессный вариант программы “Будильник”.
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
void alr(int s)
{
printf(“\n Быстрее!!! \n”);
signal(SIGALRM, alr);
/* переустановка обработчика alr на приход сигнала SIGALRM */
}
int main(int argc, char **argv)
{
char s[80];
int pid;
signal(SIGALRM, alr);
/* установка обработчика alr на приход сигнала SIGALRM */
if (pid = fork()) {
for (;;)
{
sleep(5); /*приостанавливаем процесс на 5 секунд */
kill(pid, SIGALRM);
/*отправляем сигнал SIGALRM процессу- сыну */
}
}
else {
printf(“Введите имя \n”);
for (;;)
{
printf(“имя:”);
if (gets(s) != NULL) break; /*ожидаем ввода имени*/
}
printf(“OK!\n”);
kill(getppid(), SIGKILL);
/* убиваем зациклившегося отца */
}
return 0;
}
В данном случае программа реализуется в двух процессах. Как и в предыдущем примере, имеется функция реакции на сигнал alr(), которая выводит на экран сообщение и переустанавливает функцию реакции на сигнал, опять же на себя. В основной программе мы также указываем alr() как реакцию на SIGALRM. После этого мы запускаем сыновний процесс, и отцовский процесс (бесконечный цикл) “засыпает” на 5 единиц времени, после чего сыновнему процессу будет отправлен сигнал SIGALRM. Все, что ниже цикла, будет выполняться в процессе-сыне: мы ожидаем ввода строки, если ввод осуществлен, то происходит уничтожение отца (SIGKILL).
-
Надежные сигналы.
Вышеописанная реализация механизма сигналов имела место в ранних версиях UNIX (UNIX System V.2 и раньше). Позднее эта реализация подверглась критике за недостаточную надежность. В частности, это касалось сброса диспозиции перехваченного сигнала в реакцию по умолчанию всякий раз перед вызовом функции-обработчика. Хотя и существует возможность заново установить реакцию на сигнал в функции-обработчике, возможна ситуация, когда между моментом вызова пользовательского обработчика некоторого сигнала и моментом, когда он восстановит нужную реакцию на этот сигнал, будет получен еще один экземпляр того же сигнала. В этом случае второй экземпляр не будет перехвачен, так как на момент его прихода для данного сигнала действует реакция по умолчанию.
Поэтому в новых версиях UNIX (BSD UNIX 4.2 и System V.4) была реализована альтернативная модель так называемых надежных сигналов, которая вошла и в стандарт POSIX. В этой модели при перехватывании сигнала ядро не меняет его диспозицию, тем самым появляется гарантия перехвата всех экземпляров сигнала. Кроме того, чтобы избежать нежелательных эффектов при рекурсивном вызове обработчика для множества экземпляров одного и того же сигнала, ядро блокирует доставку других экземпляров того же сигнала в процесс до тех пор, пока функция-обработчик не завершит свое выполнение.
В модели надежных сигналов также появилась возможность на время блокировать доставку того или иного вида сигналов в процесс. Отличие блокировки сигнала от игнорирования в том, что пришедшие экземпляры сигнала не будут потеряны, а произойдет лишь откладывание их обработки на тот период времени, пока процесс не разблокирует данный сигнал. Таким образом процесс может оградить себя от прерывания сигналом на тот период, когда он выполняет какие-либо критические операции. Для реализации механизма блокирования вводится понятие сигнальной маски, которая описывает, какие сигналы из посылаемых процессу блокируются. Процесс наследует свою сигнальную маску от родителя при порождении9, и имеет возможность изменять ее в процессе своего выполнения.
Рассмотрим системные вызовы для работы с сигнальной маской процесса. Сигнальная маска описывается битовым полем типа sigset_t. Для управления сигнальной маской процесса служит системный вызов:
#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *old_set);
Значения аргумента how влияют на характер изменения маски сигналов:
SIG_BLOCK – к текущей маске добавляются сигналы, указанные в наборе set;
SIG_UNBLOCK – из текущей маски удаляются сигналы, указанные в наборе set;
SIG_SETMASK – текущая маска заменяется на набор set.
Если в качестве аргумента set передается NULL-указатель, то сигнальная маска не изменяется, значение аргумента how при этом игнорируется. В последнем аргументе возвращается прежнее значение сигнальной маски до изменения ее вызовом sigprocmask(). Если процесс не интересуется прежним значением маски, он может передать в качестве этого аргумента NULL-указатель.
Если один или несколько заблокированных сигналов будут разблокированы посредством вызова sigprocmask(), то для их обработки будет использована диспозиция сигналов, действовавшая до вызова sigprocmask(). Если за время блокирования процессу пришло несколько экземпляров одного и того же сигнала, то ответ на вопрос о том, сколько экземпляров сигнала будет доставлено – все или один – зависит от реализации конкретной ОС.
Существует ряд вспомогательных функций, используемых для того, чтобы сформировать битовое поле типа sigset_t нужного вида:
-
Инициализация битового набора - очищение всех битов:
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
-
Противоположная предыдущей функция устанавливает все биты в наборе:
#include <signal.h>
int sigfillset(sigset_t *set);
-
Две следующие функции позволяют добавить или удалить флаг, соответствующий сигналу, в наборе:
#include <signal.h>
int sigaddset(sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
В качестве второго аргумента этим функциям передается номер сигнала
-
Приведенная ниже функция проверяет, установлен ли в наборе флаг, соответствующий сигналу, указанному в качестве параметра:
#include <signal.h>
int sigismember(sigset_t *set, int signo);
Этот вызов возвращает 1, если в маске set установлен флаг, соответствующий сигналу signo, и 0 в противном случае.
Чтобы узнать, какие из заблокированных сигналов ожидают доставки, используется функция sigpending():
#include <signal.h>
int sigpending(sigset_t *set);
Через аргумент этого вызова возвращается набор сигналов, ожидающих доставки.