11. PAKIET IPC Narzędzia z pakietu IPC (InterProcess Communication) służą do koordynacji procesów wykonywa- nych na jednym komputerze (nie są przeznaczone do komunikacji sieciowej). W skład tego pakietu wchodzą biblioteki funkcji obsługujących kolejki komunikatów (message queue), pamięć dzieloną (shared memory) i semafory (semaphore). Z wszystkimi trzema rodzajami obiektów związane są odpowiednie struktury danych tworzone przez jądro systemu, do których dostęp jest możliwy jedynie poprzez wywoływanie przeznaczonych do tego funkcji systemowych. Zestawienie głównych funkcji pakietu IPC (wg W.R. Stevensa): Kolejki komun. Semafory Pamięć dziel. Plik nagłówkowy < sys/msg.h > < sys/sem.h> < sys/shm.h> Funkcja systemowa tworzenia lub otwierania msgget semget shmget Funkcja systemowa operacji sterujących msgctl semctl shmctl Funkcje systemowe przesyłania msgsnd semop shmat msgrcv shmdt

Ze względu na to, że struktury kontrolne obiektów pakietu IPC są przechowywane w jądrze systemu i mogą być widoczne dla wszystkich procesów, muszą mieć klucze unikalne w obrębie całego systemu. Zalecane jest stosowanie funkcji ftok generującej unikalne klucze na podstawie ścieżek dostępu do plików z programami wykonywanymi przez procesy tworzące obiekty pakietu IPC. Dopuszczalny zakres kluczy zależy od ustawień systemowych - odpowiada mu typ key_t zdefiniowany w nagłówku < sys/types.h >. Kolejki komunikatów Kolejki komunikatów nie są kolejkami prostymi (komunikaty mogą być z nich wybierane w innej kolejności, niż zostały umieszczone). Komunikaty posiadają pewną strukturę (nie są tylko ciągami bajtów, jak w przypadku łącz): struct msgbuf { long mtype ; char mtext[1] ; } Uwaga. Typ char zawartości komunikatu jest zdefiniowany tylko pro forma - może być rzutowany.

int msgget (key_t klucz, int flagi); Zwraca: identyfikator kolejki w przypadku sukcesu ; -1 w przypadku błędu. Flagi określają prawa dostępu, oraz czy ma być zwrócony błąd, jeśli kolejka o danym kluczu już istnieje. Działanie: tworzy kolejkę o podanym kluczu, jeśli taka kolejka jeszcze nie istnieje. int msgsnd (int ident, struct msgbuf kom, int rozmiar, int flagi) ; Zwraca: 0 w przypadku sukcesu ; ident - identyfikator kolejki (zwrócony przez msgget) kom - wskaźnik do struktury przechowującej typ komunikatu i sam komunikat (bufora komunikatu) rozmiar - rozmiar komunikatu „netto” (nie licząc typu) flagi - 0 lub IPC_NOWAIT (decydują, czy w sytuacji przepełnienia kolejki proces ma być zawieszony) Działanie: wstawia komunikat wraz z podanym typem na koniec kolejki.

int msgrcv (int ident; struct msgbuf kom, int rozmiar, long mtype, int flagi); Zwraca: liczbę faktycznie pobranych bajtów z kolejki w przypadku sukcesu ; -1 w przypadku błędu. ident - identyfikator kolejki kom - wskaźnik do bufora komunikatu rozmiar - rozmiar struktury komunikatu (nie licząc typu) mtype - typ komunikatu, jaki chcemy pobrać z kolejki (może być 0) flagi - można ustawić IPC_NOWAIT i / lub MSG_NOERROR (powoduje odpowiednie zachowanie, jeśli komunikat jest większy, niż przewiduje rozmiar) Działanie: pobiera z kolejki najdawniej wstawiony komunikat o danym typie (jeśli istnieje), zaś jeśli został podany typ 0, pobiera najdawniej wstawiony komunikat (o dowolnym typie).

int msgctl (int ident, int polecenie, struct msgqid_ds struktura); Zwraca: 0 w przypadku sukcesu ; -1 w przypadku błędu. ident - identyfikator kolejki polecenie - kod czynności do wykonania na strukturze kontrolnej kolejki struktura - wskaźnik do bufora struktury kontrolnej Działanie: może wykonywać mnóstwo różnych czynności (w tym również takich, które mogą pozbawić programistę kontroli nad kolejką) - zmieniać prawa dostępu, odczytywać informacje o ostatnio wykonanej operacji na kolejce itp. Najczęściej jest wykorzystywana do usunięcia kolejki: msgctl (ident, IPC_RMID, 0);

(to jest adres kolejki odbiorczej klienta). Kolejki komunikatów są narzędziem bardziej skomplikowanym w użyciu, a jednocześnie oferującym bogatsze możliwości, niż kolejki FIFO. W typowym zastosowaniu - implementacji par programów typu klient / serwer - stosując kolejki FIFO musimy otworzyć oddzielną kolejkę dla serwera i oddzielne dla wszystkich klientów (gdyż nie ma możliwości testowania danych umieszczonych w jednej kolejce dla wielu odbiorców). klient 1 kolejka klienta 1 klient 2 kolejka klienta 2 kolejka serwera serwer klient n kolejka klienta n Dane od klientów powinny na początku zawierać informację o swojej długości oraz adres zwrotny (to jest adres kolejki odbiorczej klienta).

selektywnie wybierać z kolejki zwrotnej. W przypadku stosowania kolejek komunikatów wystarczają dwie takie kolejki (związane z serwerem), gdyż umożliwiają demultipleksowanie odpowiedzi serwera do różnych klientów. klient 1 odpowiedzi klient 2 serwer pytania klient n Klienci muszą mieć unikalne adresy kodowane jako typy komunikatów. Odpowiedzi serwera są opatrywane tymi samymi typami, jakie miały przysyłane przez klientów pytania - klienci mogą je selektywnie wybierać z kolejki zwrotnej. Uwaga. Jest również możliwe rozwiązanie przy użyciu tylko jednej kolejki (dla pytań i odpowiedzi).

Pamięć dzielona Poza własnym segmentem danych przydzielonym w momencie utworzenia, proces może mieć przydzielony dynamicznie (w trakcie wykonywania) jeden lub więcej segmentów pamięci z ogólnych zasobów systemowych. Takie segmenty są dołączane do przestrzeni adresowej procesu i można na nich operować bezpośrednio (na przykład wykonując operacje przypisania). Jeśli programista ustanowi odpowiednie prawa dostępu, segmenty takie mogą być niezależnie przydzielane wielu procesom jednocześnie. Komunikowanie się przez pamięć dzieloną jest zdecydowanie najszybszym sposobem komunikowania się procesów (choć najtrudniejszym do synchronizacji). Uwaga. 1) Podobnie jak w przypadku plików i dowiązań do nich, segment pamięci dzielonej jest zwracany do puli wolnych zasobów systemowych dopiero wtedy, gdy ostatni z użytkujących go procesów zrzeknie się jego dalszego używania (odłączy go od swojej przestrzeni adresowej). 2) Nie ma możliwości operowania w segmencie pamięci dzielonej inaczej, niż za pomocą zmiennych dynamicznych (wskaźników). W gruncie rzeczy segmenty pamięci dzielonej są widziane przez programy jako dodatkowe (współdzielone) sterty.

3) Jeden i ten sam segment pamięci dzielonej może być dołączony do przestrzeni adresowej procesu w wielu różnych miejscach. W ten sposób możemy dysponować wieloma kopiami jednej i tej samej zmiennej, zmiana wartości jednej kopii jest natychmiast widoczna w pozostałych miejscach. 4) Proces potomny dziedziczy utworzony (i przyłączony) segment pamięci dzielonej. int shmget (key_t klucz, int rozmiar, int flagi); Zwraca: identyfikator segmentu w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. klucz, flagi - pełnią podobną rolę, jak dla kolejek komunikatów rozmiar - rozmiar tworzonego segmentu w bajtach (argument nieistotny, jeśli segment już istnieje) Działanie: tworzy nową pozycję w tablicy segmentów, jeśli segment wcześniej nie istniał.

int shmat (int ident, char adres, int flagi); Zwraca: wskaźnik do miejsca, gdzie rzeczywiście został dołączony segment, w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. ident - identyfikator segmentu (zwrócony przez funkcję shmget) adres - wskaźnik do miejsca, gdzie programista proponuje dołączyć segment (może być 0) flagi - rozmaite role ( na przykład mogą nakazać dołączenie segmentu tylko do odczytu) Działanie: dołącza segment (i zwiększa jego licznik dowiązań o 1) pod podanym adresem (w miarę możności) jeśli adres jest większy od 0, zaś pod adresem wybranym przez system, jeśli podany adres jest równy 0 (najczęściej stosowane i najbardziej zalecane postępowanie).

int shmdt (char *adres); Zwraca: 0 w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. adres - adres, pod którym był dołączony (przez funkcję shmat) segment pamięci dzielonej Działanie: segment jest odłączany od przestrzeni adresowej procesu, a jego licznik dowiązań zmniej- szany o 1. Jeżeli stan licznika dowiązań zmniejszył się w wyniku tego do 0, a segment był oznaczony do usunięcia, w tym momencie następuje jego usunięcie z tablicy segmentów.

int shmctl (int ident, int polecenie, struct shmid_ds struktura); Zwraca: 0 w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. ident - identyfikator segmentu (zwrócony przez funkcję shmget) polecenie - kod polecenia do wykonania na strukturze zarządzającej segmentem struktura - wskaźnik do bufora struktury zarządzającej segmentem Działanie: podobnie, jak w przypadku kolejek komunikatów, może wykonywać wiele różnych czynności, a najczęsciej wykonywaną jest oznaczenie segmentu do usunięcia: shmctl (ident, IPC_RMID, 0); Uwaga. Zalecane jest odłączenie segmentu (wykonanie funkcji shmdt) przed oznaczeniem segmentu do usunięcia.

Semafory Semafory są uważane za najbardziej skomplikowane w użyciu obiekty pakietu IPC. Ich najbardziej typowym zastosowaniem jest synchronizacja dostępu różnych procesów do zmiennych w pamięci dzielonej. Semafory zaimplementowane w pakiecie IPC są podobne do semaforów Agerwali. Występują nie jako pojedyncze obiekty, ale jako elementy tablic semaforów, na których można wykonywać jednocześnie (niepodzielne) operacje. Maksymalny rozmiar tablicy semaforów zależy od ustawień systemowych. Zakres wartości przyjmowanych przez pojedynczy semafor jest zakresem wartości typu ushort (czyli od 0 do 255). sem. 0 sem. 1 sem. 2 sem. 3 sem. n-1 0 1 2 3 n-1

int semget (key_t klucz, int liczbasem, int flagi); Zwraca: identyfikator tablicy semaforów w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. klucz, flagi - jak dla kolejek komunikatów i pamięci dzielonej liczbasem - liczba semaforów w tablicy (argument nieistotny, jeśli tablica już istnieje) Działanie: tworzy nową tablicę semaforów, jeśli wcześniej nie istniała.

int semop (int ident, struct sembuf oper, unsigned liczbaoper); gdzie struct sembuf { ushort sem_num; numer semafora w tablicy short sem_op; operacja na semaforze short sem_flg; } flagi operacji Zwraca: 0 w przypadku sukcesu; -1 w przypadku błędu. ident - identyfikator tablicy semaforów (zwrócony przez funkcję semget) oper - wskaźnik do początku tablicy operacji (tablicy struktur sembuf) liczbaoper - liczba elementów w tablicy wskazywanej przez oper Działanie: system wykonuje niepodzielnie wszystkie operacje nakazane w tablicy struktur wskazywanej przez oper - albo nie wykonuje żadnej, jeśli choć jedna z nich jest w danej chwili niemożliwa.

Pojedyncza operacja na pojedynczym semaforze wygląda następująco: - jeżeli wartość sem_op jest dodatnia, wartość semafora zwiększa się o nią (zatem, w przeciwieństwie do tego, co jest podane w klasycznej definicji semafora, wartość semafora może wzrosnąć o więcej, niż 1), a jednocześnie jest budzona odpowiednia liczba procesów śpiących pod tym semaforem (jeśli są takie); - jeżeli wartość sem_op jest ujemna, wartość semafora odpowiednio się zmniejsza, jeśli to możliwe, a jeśli niemożliwe, zmniejszenie nie jest wykonywane, a proces albo zasypia czekając na zaistnienie takiej możliwości, albo od razu następuje powrót z funkcji z błędem (w zależności od ustawienia flagi IPC_NOWAIT); - jeżeli wartość sem_op wynosi zero, proces zasypia, jeśli wartość semafora nie jest zerem (lub wraca od razu z błędem, jeśli jest ustawiona flaga IPC_NOWAIT) i budzi się dopiero po osiągnięciu wartości zero przez semafor.

int semctl (int ident, int numer, int polecenie, union semun argument); gdzie union semun { int val; do ustawienia wartości pojedynczego semafora struct semid_ds buf; bufor struktury zarządzającej tablicą semaforów ushort array; wskaźnik do tablicy ustawień wartości całej tablicy sem. struct seminfo __buf; specyficzne dla Linuxa, używane przez void __pad; } jądro systemu operacyjnego Zwraca: liczbę dodatnią będącą wynikiem wykonania polecenia - w przypadku sukcesu -1 w przypadku błędu ident - identyfikator tablicy semaforów (zwrócony przez funkcję semget) numer - numer semafora w tablicy (istotny w przypadku, gdy polecenie dotyczy pojedynczego semafora) polecenie - kod polecenia do wykonania argument - argument jednego z typów wchodzących w skład unii, zależnego od polecenia

Działanie: może wykonywać mnóstwo różnych czynności (najwięcej z wszystkich funkcji IPC) na pojedynczych semaforach, na całej ich tablicy lub na strukturze zarządzającej. Najczęściej używanymi poleceniami są: IPC_RMID usunięcie tablicy semaforów GETALL odczytanie wartości wszystkich semaforów w tablicy SETALL nadanie wartości wszystkim semaforom w tablicy GETVAL odczytanie wartości pojedynczego semafora SETVAL nadanie wartości pojedynczemu semaforowi Uwaga. Operacje nadania lub odczytania wartości semaforów nie wiążą się z możliwością wstrzymania procesu wykonującego daną operację.