Программирование для Linux. Профессиональный подход - Марк Митчелл

■ Сокеты — соединяют несвязанные процессы, работающие на разных компьютерах.

Различия между способами взаимодействия определяются следующими критериями:

■ ограничено ли взаимодействие рамками связанных процессов (имеющих общего предка) или же соединяются процессы, выполняющиеся в одной файловой системе либо на разных компьютерах:

■ ограничен ли процесс только чтением либо только записью данных;

■ число взаимодействующих процессов;

■ синхронизируются ли взаимодействующие процессы (например, должен ли читающий процесс перейти в режим ожидания при отсутствии данных на входе).

5.1. Совместно используемая память

Простейшим способом взаимодействия процессов является совместный доступ к общей области памяти. Это выглядит так, как если бы два или более процесса вызвали функцию malloc() и получили указатели на один и тот же блок памяти. Когда один из процессов меняет содержимое памяти, другие процессы замечают это изменение.

5.1.1. Быстрое локальное взаимодействие

Совместное использование памяти — самый быстрый способ взаимодействия. Процесс обращается к общей памяти с той же скоростью, что и к своей собственной памяти, и никаких системных вызовов или обращений к ядру не требуется. Устраняется также ненужное копирование данных.

Ядро не синхронизирует доступ процессов к общей памяти — об этом следует позаботиться программисту. Например, процесс не должен читать данные из совместно используемой памяти, пока в нее осуществляется запись, и два процесса не должны одновременно записывать данные в одну и ту же область памяти. Стандартная стратегия предотвращения подобной конкуренции заключается в использовании семафоров, о которых пойдет речь в раздаче 5.2, "Семафоры для процессов". Тем не менее в приводимом далее примере программы доступ к памяти осуществляет только один процесс: просто мы хотим сконцентрировать внимание читателей на механизме совместного использования памяти и не перегружать программу кодом синхронизации.

5.1.2. Модель памяти

При совместном использовании сегмента памяти один процесс должен сначала выделить память. Затем все остальные процессы, которые хотят получить доступ к ней, должны подключить сегмент. По окончании работы с сегментом каждый процесс отключает его. Последний процесс освобождает память.

Для того чтобы понять принципы выделения и подключения сегментов памяти, необходимо разобраться в модели памяти Linux. В Linux виртуальная память (ВП) каждого процесса разбита на страницы. Все процессы хранят таблицу соответствий между своими адресами памяти и страницами ВП, содержащими реальные данные. Несмотря на то что за каждым процессом закреплены свои адреса, разным процессам разрешается ссылаться на одни и те же страницы. Это и есть совместное использование памяти.

При выделении совместно используемого сегмента памяти создаются страницы ВП. Это действие должно выполняться только одни раз, так как все остальные процессы будут обращаться к этому же сегменту. Если запрашивается выделение существующего сегмента, новые страницы не создаются; вместо этого возвращается идентификатор существующих страниц. Чтобы сделать сегмент общедоступным, процесс подключает его, при этом создаются адресные ссылки на страницы сегмента. По окончании работы с сегментом адресные ссылки удаляются. Когда все процессы завершили работу с сегментом, один (и только один) из них должен освободить страницы виртуальной памяти.

Размер совместно используемого сегмента кратен размеру страницы ВП. В Linux последняя величина обычно равна 4 Кбайт, но никогда не помешает это проверить с помощью функции getpagesize().

5.1.3. Выделение сегментов памяти

Процесс выделяет сегмент памяти с помощью функции shmget(). Первым аргументом функции является целочисленный ключ, идентифицирующий создаваемый сегмент. Если несвязанные процессы хотят получить доступ к одному и тому же сегменту, они должны указать одинаковый ключ. К сожалению, ничто не мешает посторонним процессам выбрать тот же самый ключ сегмента, а это приведет к системному конфликту. Указание специальной константы IPC_PRIVATE в качестве ключа позволяет гарантировать, что будет создан совершенно новый сегмент.

Во втором аргументе функции задается размер сегмента в байтах. Это значение округляется, чтобы быть кратным размеру страницы ВП.

Третий параметр содержит набор битовых флагов. Перечислим наиболее важные из них.

■ IPC_CREAT. Указывает на то, что создается новый сегмент, которому присваивается заданный ключ.

■ IPC_EXCL. Всегда используется совместно с флагом IPC_CREAT и заставляет функцию shmget() выдать ошибку в случае, когда сегмент с указанным ключом уже существует. Если флаг не указан и возникает описанная ситуация, функция shmget() возвращает идентификатор существующего сегмента, не создавая новый сегмент.

■ Флаги режима. В эту группу входят 9 флагов, задающих права доступа к сегменту для владельца, группы и остальных пользователей. Биты выполнения игнорируются. Проще всего задавать права доступа с помощью констант, определенных в файле <sys/stat.h> (они описаны на man-странице функции stat()).[15] Например, флаги S_IRUSR и S_IWUSR предоставляют право чтения и записи владельцу сегмента, а флаги S_IROTH и S_IWOTH предоставляют аналогичные права остальным пользователям.

В следующем фрагменте программы функция shmget() создает новый совместно используемый сегмент памяти (или возвращает идентификатор существующего, если значение shm_key уже зарегистрировано в системе), доступный для чтения/записи только его владельцу:

int segment_id = shmget(shm_key, getpagesize(),

 IPC_CREAT | S_IRUSR | S_IWUSR);

В случае успешного завершения функция возвращает идентификатор сегмента. Если сегмент уже существует, проверяются нрава доступа к нему.

5.1.4. Подключение и отключение сегментов

Чтобы сделать сегмент памяти общедоступным, процесс должен подключить его с помощью функции shmat(). В первом ее аргументе передается идентификатор сегмента, возвращенный функцией shmget(). Второй аргумент — это указатель, определяющий, где в адресном пространстве процесса необходимо создать привязку на совместно используемую область памяти. Если задать значение NULL, ОС Linux выберет первый доступный адрес. Третий аргумент может содержать следующие флаги.

■ SHM_RND. Указывает на то, что адрес, заданный во втором параметре, должен быть округлен, чтобы стать кратным размеру страницы. Если этот флаг не указан, необходимо самостоятельно позаботиться о выравнивании сегмента по границе страницы.

■ SHM_RDONLY. Указывает на то. что сегмент доступен только для чтения, но не для записи.

В случае успешного завершения функция возвращает адрес подключенного сегмента. Дочерний процесс, созданный функцией fork(), унаследует этот адрес и в случае необходимости сможет отключить сегмент.

По завершении работы с сегментом его необходимо отключить с помощью функции shmdt(). Ей следует передать адрес, возвращаемый функцией shmat(). Если текущий процесс был последним, кто ссылался на сегмент, сегмент удаляется из памяти. Функции exit() и exec() автоматически отключают сегменты.

5.1.5. Контроль и освобождение совместно используемой памяти

Функция shmctl() возвращает информацию о совместно используемом сегменте и способна модифицировать его. Первым параметром является идентификатор сегмента.

Чтобы получить информацию о сегменте, укажите в качестве второго параметра константу IPC_STAT, а в третьем параметре передайте указатель на структуру shmid_ds.

Чтобы удалить сегмент, передайте во втором параметре константу IPC_RMID, а в третьем параметре — NULL. Сегмент удаляется, когда последний подключивший его процесс отключает сегмент.

Каждый совместно используемый сегмент должен явно освобождаться с помощью функции shmctl(), чтобы случайно не был превышен системный лимит на общее число таких сегментов. Функции exit() и exec() отключают сегменты, но не освобождают их.

Описание других операций, выполняемых над совместно используемыми сегментами памяти, можно найти на man-странице функции shmctl().

5.1.6. Пример программы

Программа, приведенная в листинге 5.1, иллюстрирует методику совместного использования памяти.

#include <stdio.h>