39

Рисунок 1.13 — Вариант запуска программы листинга 1.6

1.5 Каналы

Операционные системы предоставляют программисту два типа каналов:

•полудуплексные каналы UNIX;

•именованные каналы FIFO.

1.5.1Полудуплексные каналы UNIX

Изучая командный интерпретатор shell, мы уже сталкивались с понятием ка-налов. Например, если в командной строке запустить: ls -l | grep src, то интерпретатор sh или bash будут выполнять следующую последовательность действий:

•будут одновременно запускатся утилиты ls, обеспечивающая вывод подроб-

ного списка файлов текущей директории, и утилита grep, фильтрующая входной поток данных по наличию слова src, в каждой строке;

•перед вызовом утилит, shell создаст полудуплексный каканал, обеспечив возможность записи в него для утилиты ls и чтение из него для утилиты grep.

Каналы - старейший из инструментов IPC, существующий приблизительно со времени появления самых ранних версий оперативной системы UNIX. Они предоставляют метод односторонних коммуникаций между процессами: отсюда появился термин half-duplex channel.

Сам канал создается в ядре ОС. Когда процесс создает канал, ядро устанавливает два файловых дескриптора для пользования этим каналом. Один такой дескриптор используется, чтобы открыть путь ввода в канал (запись), в то время как другой применяется для получения данных из канала (чтение), как показано ниже:

Если открыт массив дескрипторов int fd[2] и процесс посылает данные через канал fd[1], то он имеет возможность получить эту информацию из дескрип-тора fd[0].

Хотя подобное применение канала не имеет практической ценности, для учебных целей, показанных на листинге 1.7, оно вполне подходит.

Создание неименованного канала выполняется с помощью функции pipe(...):

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

где pipefd — целочисленный массив открываемых дескрипторов канала.

Листинг 1.7 — Запись строки в ядро ОС и чтение из канала

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>

int main(void) { int fd[2];

char out[] = "Строка, записанная в канал...\n"; char buf[BUFSIZ];

if (pipe(fd) == -1) { perror("pipe"); exit(EXIT_FAILURE);

}

write(fd[1], out, sizeof(out)); // Пишем в канал close(fd[1]);

while(read(fd[0], buf, 1) > 0) write(1, buf, 1);

close(fd[0]);

return EXIT_SUCCESS;

}

Основное назначение неименованных полудуплексных каналов — взаимодействие между родительским и дочерними процессами. В этом случае используется то свойство, что дочерний процесс наследует все ресурсы, открытые родительским процессом, в том числе и открытые каналы.

Если предположить, что родительский процесс долже передать некоторое сообщение дочернему процессу, а потом дождаться его завершения, то в этом случае:

•родителскому процессу не нужет дескриптор чтения из канала;

•дочернему процессу не нужен дескриптор записи в канал.

41 Тогда, схему взаимодействия процессов через ядро ОС можно представить в виде:

На листинге 1.8 представлен исходый текст программы, реализующий этот проект.

Листинг 1.8 — Родитель передает строку дочернему процессу через pipe-канал

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h>

int main(void) {

int fd[2], pid; ssize_t n;

char buf[BUFSIZ]; char buf2[4];

char msg[] = "Ввели строку: ";

char pmsg[] = "Родительский процесс пишет: "; char gmsg[] = "Дочерний процесс читает: ";

puts("Программа lab1.7: Введи произвольную строку и нажми клавишу Enter> "); n = read(0, buf, sizeof(buf));

if(n < 0) {

puts("\nОшибка: ошибка чтения строки\n"); return 1;

}

buf[n] = '\0';

write(1, msg, sizeof(msg)); write(1, buf, n);

perror("fork"); exit(EXIT_FAILURE);

puts("Дочерний процесс завершил работу...");

}

return EXIT_SUCCESS;

43

Стандарт POSIX предоставляет для создания именованных каналов специальный системный вызов mkfifo(...), имеющий следующий синтаксис его описания:

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

где pathname — имя создаваемого канала;

mode — режимы доступа к каналу с учетом маски, которую можно установить с помощью системного вызова umask(...).

При возникновении ошибки функция возвращает -1, в противном случае 0.

Замечание

Системный вызов umask(...), синтаксис которого представлен ниже, используется для установки системной маски ОС при всех формах создания и открытия файлов:

#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> mode_t umask(mode_t mask);

umask(...) устанавливает и возвращает значение равное mask & 0777. Например, если выполнить последовательность команд:

umask(022); mkfifo("/home/upk/cfifo", 0666);

то канал /home/upk/cfifo откроется с правами: 0666 & ~022 = 0644 = rw-r--r--

Перед использованием каналы FIFO требуют своего открытия с помощью системного вызова open(…). Если при этом не указать режим O_NONBLOCK, то:

•открытие FIFO блокируется и для записи, и для чтения;

•при записи канал блокируется до тех пор, пока другой процесс не откроет FIFO для чтения;

•при чтении канал снова блокируется до тех пор, пока другой процесс не запишет данные;

•если FIFO закрыть для записи через close(...) или fclose(...), то это значит, что для чтения в FIFO помещается EOF.

Флаг открытия канала O_NONBLOCK может использоваться только при досту-пе для чтения. При попытке открыть FIFO с O_NONBLOCK для записи возникает ошибка открытия.

Если несколько процессов пишут в один и тот же FIFO, необходимо обратить внимание на то, чтобы сразу не записывалось больше, чем PIPE_BUF байтов. Это необходимо, чтобы данные не смешивались друг с другом.

44

Чтобы не запускать множество программ, рассмотрим работу каналов FIFO на примере двух родственных процессов:

•программа запускается и создает канал FIFO с именем /dev/home/cfifo, а затем выполняет fork(), создавая дочерний процесс;

•родительский процесс открывает канал на чтение, читает данные и выводит

их на терминал; если прочитано менее 2-х байт, то — ожидает завершение дочернего процесса, а затем завершается сама;

•дочерний процесс, в цикле, читает строку данных с клавиатуры, открывает

канал для записи, пишет в него данные и закрывает канал; если с клавиатуры прочитано менее 2-х байт, то, после передачи их в канал, завершает свою работу.

На листинге 1.9 представлен исходый текст программы, реализующий этот проект.

Листинг 1.9 — Взаимодействие процессов через именованный канал FIFO

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/wait.h>

int main(void) { int fd, pid; ssize_t n;

char buf[PIPE_BUF];

puts("Программа lab1.8: Взаимодействие через канал /home/upk/cfifo"); // Создаем именованный канал

unlink("/home/upk/cfifo"); umask(0);

if ((mkfifo("/home/upk/cfifo", 0666)) < 0) { perror("fifo");

exit(EXIT_FAILURE);

}

wait(NULL);

puts("Родительский процесс завершил работу..."); }else{ // Дочерний процесс

while (1) {

puts("Дочерний процесс: Введи строку и нажми Enter "); n = read(0, buf, PIPE_BUF);

45

if ((fd = open("/home/upk/cfifo", O_WRONLY)) < 0) { perror("fifo - дочерний процесс");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (n < 2) write(fd, "\n", 1); else write(fd, buf, n); close(fd);

if (n < 2) break;

}

puts("Дочерний процесс завершил работу...");

}

return EXIT_SUCCESS;

}

На рисунке 1.15 приведен пример вывода этой программы.

Рисунок 1.15 — Пример вывода программы листинга 1.9

Замечание

Изученные в данном подразделе системные средства работы с каналами являются достаточно эффективными, но требуют значительных усилий по синхронизации работы процессов. В теме 9 будут изучены проблемы синхронизации и блокировки процессов, также расстотрены подходы к их решению.

Кроме того, имеется утилита mkfifo, которая позволяет создавать именованные каналы из командной строки терминала.