Механизмы межпроцессных взаимодействий в операционной системе Unix

• Разделяемая память
• Семафоры
• Очереди сообщений
• Структуры данных, используемые для организации очередей сообщений
• Программные каналы
• Программные гнезда (sockets)
• Одна из возможных конфигураций программных гнезд
• Потоки (streams)

Традиционный подход ОС UNIX - реакция на сложности Multics Возникшие проблемы

Избыточный набор системных средств, предназначенных для обеспечения возможности взаимодействия и синхронизации процессов, которые не обязательно связаны отношением родства

• IPC - Inter-Process Communication Facilities
• с появлением UNIX System V Release 4.0 все эти средства были узаконены и вошли в фактический стандарт ОС UNIX современного образца
• в разных вариантах системы средства IPC реализуются по-разному
• эффективность реализации различается
• усложняется разработка мобильных асинхронных программных комплексов

Пакет средств IPC

• UNIX System V Release 3.0
• средства, обеспечивающие возможность наличия общей памяти между процессами (сегменты разделяемой памяти - shared memory segments)
• средства, обеспечивающие возможность синхронизации процессов при доступе с совместно используемым ресурсам, например, к разделяемой памяти (семафоры - semaphores)
• средства, обеспечивающие возможность посылки процессом сообщений другому произвольному процессу (очереди сообщений - message queues)

Общие свойства всех трех механизмов:

• для каждого механизма поддерживается общесистемная таблица, элементы которой описывают всех существующих в данный момент представителей механизма (конкретные сегменты, семафоры или очереди сообщений)
• элемент таблицы содержит некоторый числовой ключ, который является выбранным пользователем именем представителя соответствующего механизма
• процесс, желающий начать пользоваться одним из механизмов, обращается к системе с системным вызовом из семейства "get", ответным параметром является числовой дескриптор
• ключ IPC_PRIVATE
• ключ IPC_CREAT
• защита доступа основывается на тех же принципах, что и защита доступа к файлам

Разделяемая память

shmget создает новый сегмент разделяемой памяти или находит существующий сегмент с тем же ключом

shmat подключает сегмент с указанным дескриптором к виртуальной памяти обращающегося процесса

shmdt отключает от виртуальной памяти ранее подключенный к ней сегмент с указанным виртуальным адресом начала

shmctl служит для управления параметрами, связанными с существующим сегментом

После подключения сегмента разделяемой памяти к виртуальной памяти процесса, он может обращаться к соответствующим элементам памяти с использованием обычных машинных команд чтения и записи

shmid = shmget(key, size, flag);

size определяет желаемый размер сегмента в байтах

• если в таблице разделяемой памяти находится элемент, содержащий заданный ключ, и права доступа не противоречат текущим характеристикам процесса, то значением системного вызова является дескриптор существующего сегмента
• реальный размер сегмента можно узнать с помощью системного вызова shmctl
• иначе создается новый сегмент с размером не меньше установленного в системе минимального размера сегмента разделяемой памяти и не больше установленного максимального размера
• создание сегмента не означает немедленного выделения под него основной памяти
• откладывается до выполнения первого системного вызова подключения сегмента к виртуальной памяти некоторого процесса
• при выполнении последнего системного вызова отключения сегмента от виртуальной памяти соответствующая основная память освобождается

virtaddr = shmat(id, addr, flags);

• id - это ранее полученный дескриптор сегмента
• addr - желаемый процессом виртуальный адрес, который должен соответствовать началу сегмента в виртуальной памяти
• virtaddr - реальный виртуальный адрес начала сегмента
• не обязательно совпадает со значением прямого параметра addr
• addr == 0, ядро выбирает наиболее удобный виртуальный адрес начала сегмента

shmdt(addr);

• addr - виртуальный адрес начала сегмента в виртуальной памяти, ранее полученный от системного вызова shmat

shmctl(id, cmd, shsstatbuf);

• cmd идентифицирует требуемое конкретное действие
• важна функция уничтожения сегмента разделяемой памяти

Семафоры

Обобщение классического механизма семафоров общего вида Диекстры. Целесообразность обобщения сомнительна. Обычно использовался облегченный вариант двоичных семафоров. Известен алгоритм реализации семафоров общего вида на основе двоичных.

Семафор в ОС UNIX:

• значение семафора
• идентификатор процесса, который хронологически последним работал с семафором
• число процессов, ожидающих увеличения значения семафора
• число процессов, ожидающих нулевого значения семафора

Три системных вызова:

• semget для создания и получения доступа к набору семафоров
• semop для манипулирования значениями семафоров
• semctl для выполнения управляющих операций над набором семафоров

id = semget(key, count, flag);

• key, flag и id - обычный смысл
• count - число семафоров в наборе семафоров, обладающих одним и тем же ключом
• индивидуальный семафор идентифицируется дескриптором набора семафоров и номером семафора в наборе
• если набор семафоров с указанным ключом уже существует, то число семафоров в группе можно узнать с помощью системного вызова semctl

oldval = semop(id, oplist, count);

• id - дескриптор группы семафоров
• oplist - массив описателей операций над семафорами группы
• count - размер этого массива
• возвращается значение последнего обработанного семафора