UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

Благодарю сотрудников Prentice Hall — редактора Мэри Франц вместе с Норин Регина, Софи Папаниколау и Патти Гуэрриери — за помощь, в особенности в соблюдении сроков.

Оригинал-макет этой книги был подготовлен на языке PostScript. Форматирование осуществлялось с помощью замечательного пакета groff (автор — Джеймс Кларк) на SparcStation под управлением Solaris 2.6. (Сведения о смерти groff сильно преувеличены). Я набил все 138 897 слов книги в редакторе vi, создал 72 рисунка с помощью программы gpic (используя макросы Гари Райта), сделал 35 таблиц с помощью программы gtbl, подготовил индекс (с помощью сценариев на языке awk, написанных Джоном Бентли и Брайаном Керниганом) и сверстал все это вместе. Программа Дейва Хэнсона loom, пакет GNU indent и сценарии Гари Райта помогли добавить в книгу 8046 строк исходного кода на языке С.

С нетерпением жду комментариев, предложений и сообщений о замеченных опечатках.

W. Richard Stevens Tucson, Arizona July 1998

[email protected] http://www.kohala.com/~rstevens

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты [email protected] (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

Все исходные тексты, приведенные в книге, вы можете найти по адресу http://www.piter.com/download.

На web-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

ЧАСТЬ 1

ВВЕДЕНИЕ В IPC UNIX

ГЛАВА 1

Обзор средств взаимодействия процессов Unix

1.1. Введение

Аббревиатура IPC расшифровывается как interprocess communication, то есть взаимодействие процессов. Обычно под этим понимается передача сообщений различных видов между процессами в какой-либо операционной системе. При этом могут использоваться различные формы синхронизации, требуемой современными видами взаимодействия, осуществляемыми, например, через разделяемую память.

В процессе развития операционных систем семейства Unix за последние 30 лет методы передачи сообщений эволюционировали следующим образом:

■ Каналы (pipes — глава 4) были первой широко используемой формой взаимодействия процессов, доступной программам и пользователю (из интерпретатора команд). Основным недостатком каналов является невозможность их использования между процессами, не имеющими общего родителя (ancestor), но этот недостаток был устранен с появлением именованных каналов (named pipes), или каналов FIFO (глава 4).

■ Очереди сообщений стандарта System V (System V message queues — глава 4) были добавлены к ядрам System V в начале 80-х. Они могут использоваться для передачи сообщений между процессами на одном узле вне зависимости от того, являются ли эти процессы родственными. Несмотря на сохранившийся префикс «System V», большинство современных версий Unix, включая и те, которые не произошли от System V, поддерживают эти очереди.

ПРИМЕЧАНИЕ

В отношении процессов Unix термин «родство» означает, что у процессов имеется общий предок. Подразумевается, что процессы, являющиеся родственниками, были созданы этим процессом-предком с помощью одной или нескольких «вилок» (forks). Простейшим примером будет вызов fork некоторым процессом дважды, что приведет к созданию двух порожденных процессов. Тогда можно говорить о родстве этих процессов между собой. Естественно, каждый порожденный процесс является родственником породившего. Родитель может позаботиться о возможности взаимодействия с порожденным процессом (создав канал или очередь сообщений) перед вызовом fork, и этот объект IPC будет унаследован порожденным процессом. Более подробно о наследовании объектов IPC рассказано в табл. 1.4. Нужно также отметить, что все процессы Unix теоретически являются потомками процесса init, который запускает все необходимое в процессе загрузки системы (bootstrapping). С практической точки зрения отсчет родства процессов лучше вести с оболочки (login shell) и всех процессов, ею созданных. В главе 9 [24] рассказано о сеансах и родственных отношениях процессов более подробно. 

ПРИМЕЧАНИЕ

Примечания вроде этого будут использоваться нами для того, чтобы уточнять особенности реализации, давать исторические справки и полезные советы. 

■ Очереди сообщений Posix (Posix message queues — глава 5) были добавлены в стандарт Posix (1003.1b-1993, о котором более подробно рассказано в разделе 1.7). Они могут использоваться для взаимодействия родственных и неродственных процессов на каком-либо узле.

■ Удаленный вызов процедур (remote procedure calls — RPC, часть 5) появился в 80-х в качестве средства для вызова функций на одной системе (сервере) программой, выполняемой на другой системе (клиенте). Это средство было разработано в качестве альтернативы для упрощения сетевого программирования. Поскольку между клиентом и сервером обычно передается информация (передаются аргументы для вызова функции и возвращаемые значения) и поскольку удаленный вызов процедур может использоваться между клиентом и сервером на одном узле, RPC можно также считать одной из форм передачи сообщений.

Интересно также взглянуть на эволюцию различных форм синхронизации в процессе развития Unix:

■ Самые первые программы, которым требовалась синхронизация (чаще всего для предотвращения одновременного изменения содержимого файла несколькими процессами), использовали особенности файловой системы, некоторые из которых описаны в разделе 9.8,

■ Возможность блокирования записей (record locking — глава 9) была добавлена к ядрам Unix в начале 80-х и стандартизована в версии Posix.1 в 1988.

■ Семафоры System V (System V semaphores — глава 11) были добавлены вместе с возможностью совместного использования памяти (System V shared memory — глава 14) и одновременно с очередями сообщений System V (начало 80-х). Эти IPC поддерживаются большинством современных версий Unix.

■ Семафоры Posix (Posix semaphores — глава 10) и разделяемая память Posix (Posix shared memory— глава 13) были также добавлены в стандарт Posix (1003.1b-1993, который ранее упоминался в связи с очередями сообщений Posix).

■ Взаимные исключения и условные переменные (mutex, conditional variable — глава 7) представляют собой две формы синхронизации, определенные стандартом программных потоков Posix (Posix threads, Pthreads — 1003.1с-1995). Хотя обычно они используются для синхронизации между потоками, их можно применять и при организации взаимодействия процессов.

■ Блокировки чтения-записи (read-write locks — глава 8) представляют собой дополнительную форму синхронизации. Она еще не включена в стандарт Posix, но, вероятно, скоро будет.

1.2. Процессы, потоки и общий доступ к информации

В традиционной модели программирования Unix в системе могут одновременно выполняться несколько процессов, каждому из которых выделяется собственное адресное пространство. Это иллюстрирует рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Совместное использование информации процессами

1. Два процесса в левой части совместно используют информацию, хранящуюся в одном из объектов файловой системы. Для доступа к этим данным каждый процесс должен обратиться к ядру (используя функции read, write, lseek, write, lseek и аналогичные). Некоторая форма синхронизации требуется при изменении файла, для исключения помех при одновременной записи в файл несколькими процессами и для защиты процессов, читающих из файла, от тех, которые пишут в него.

2. Два процесса в середине рисунка совместно используют информацию, хранящуюся в ядре. Примерами в данном случае являются канал, очередь сообщений или семафор System V. Для доступа к совместно используемой информации в этом случае будут использоваться системные вызовы.

3. Два процесса в правой части используют общую область памяти, к которой может обращаться каждый из процессов. После того как будет получен доступ к этой области памяти, процессы смогут обращаться к данным вообще без помощи ядра. В этом случае, как и в первом, процессам, использующим общую память, также требуется синхронизация.

Обратите внимание, что ни в одном из этих случаев количество взаимодействующих процессов не ограничивается двумя. Любой из описанных методов работает для произвольного числа взаимодействующих процессов. На рисунке мы изображаем только два для простоты.

Потоки

Хотя концепция процессов в системах Unix используется уже очень давно, возможность использовать несколько потоков внутри одного процесса появилась относительно недавно. Стандарт потоков Posix.1, называемый Pthreads, был принят в 1995 году. С точки зрения взаимодействия процессов все потоки одного процесса имеют общие глобальные переменные (то есть поточной модели свойственно использование общей памяти). Однако потокам требуется синхронизация доступа к глобальным данным. Вообще, синхронизация, не являясь собственно формой IPC, часто используется совместно с различными формами IPC для управления доступом к данным.