Программирование для Linux. Профессиональный подход - Марк Митчелл

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

/* Ожидание семафора. Операция блокируется до тех пор, пока

   значение семафора не станет положительным, после чего

   значение уменьшается на единицу. */

int binary_semaphore_wait(int semid) {

 struct sembuf operations[1];

 /* Оперируем одним-единственным семафором. */

 operations[0].sem_num = 0;

 /* Уменьшаем его значение на единицу. */

 operations[0].sem_op = -1;

 /* Разрешаем отмену операции. */

 operations[0].sem_flg = SEM_UNDO;

 return semop(semid, operations, 1);

}

/* Установка семафора: его значение увеличивается на единицу.

   Эта операция завершается немедленно. */

int binary_semaphore_post(int semid) {

 struct sembuf operations[1];

 /* оперируем одним-единственным семафором. */

 operations[0].sem_num = 0;

 /* Увеличиваем его значение на единицу. */

 operations[0].sem_op = 1;

 /* Разрешаем отмену операции. */

 operations[0].sem_flg = SEM_UNDO;

 return semop(semid, operations, 1);

}

Флаг SEM_UNDO позволяет решить проблему, возникающую при завершении процесса, которого есть ресурсы, связанные с семафором. Как бы ни завершился процесс — принудительно или естественным образом, — значение семафора автоматически корректируется. "отменяя" эффект операции, выполненной над семафором. Например, если процесс уменьшил значение семафора, а затем был уничтожен командой kill, значение семафора будет снова увеличено.

5.2.4. Отладка семафоров

С помощью команды ipcs -s можно получить информацию о существующих группах семафоров. Команда ipcrm sem позволяет удалить заданную группу, например:

% ipcrm sem 5790517

5.3. Отображение файлов в памяти

Благодаря механизму отображаемой памяти процессы получают возможность общаться друг с другом посредством совместно используемого файла. Схематически это можно представить как совместный доступ к именованному сегменту памяти, хотя технически оба механизма реализованы по-разному.

При отображении файла в памяти формируется связь между файлом и памятью процесса. ОС Linux разбивает файл на страничные блоки и копирует их в страницы виртуальной памяти, чтобы они стали доступны в адресном пространстве процесса. Таким образом, процесс сможет обращаться к содержимому файла как к обычной памяти. При записи данных в соответствующую область памяти содержимое файла будет меняться. Это ускоряет доступ к файлам.

Отображаемую память можно представить как буфер, в который загружается все содержимое файла. Если данные, находящиеся в буфере, модифицируются, они записываются обратно в файл. Операции чтения и записи ОС Linux обрабатывает самостоятельно.

Файлы, отображаемые в памяти, можно использовать не только для организации взаимодействия процессов. О других применениях таких файлов пойдет речь в разделе 5.3.5. "Другие применения функции mmap()".

5.3.1. Отображение в памяти обычного файла

Для отображения обычного файла в памяти процесса предназначена функция mmap(). Ее первым аргументом является адрес, который будет соответствовать началу отображаемого файла в адресном пространстве процесса. Если задать значение NULL, ОС Linux выберет первый доступный адрес. Второй аргумент — это длина отображаемой области в байтах. Третий аргумент задает степень защиты диапазона отображаемых адресов. Он может содержать объединение битовых констант PROT_READ, PROT_WRITE и PROT_EXEC, соответствующих разрешению на чтение, запись и выполнение соответственно. Четвертый аргумент содержит дополнительные флаги. Пятый аргумент — это дескриптор открытого файла. В последнем аргументе задается смещение от начала файла, с которого начинается отображаемая область. Можно перенести в память весь файл или только часть его, должным образом корректируя начальное смещение и длину отображаемой области.

Ниже перечислены дополнительные флаги, задаваемые в четвертом аргументе.

■ MAP_FIXED. При наличии этого флага ОС Linux использует значение первого аргумента как точный адрес размещения отображаемого файла. Этот адрес должен соответствовать началу страницы.

■ MAP_PRIVATE. Изменения, вносимые в отображаемую память, записываются не в присоединенный файл, а в частную копию файла, принадлежащую процессу. Другие процессы не узнают об этих изменениях. Данный режим не совместим с режимом MAP_SHARED.

■ MAP_SHARED. Изменения, вносимые в отображаемую память, немедленно фиксируются в файле, минуя буфер. Этот режим используется при организации взаимодействия процессов и не совместим с режимом MAP_PRIVATE.

При успешном завершении функция возвращает указатель на начало области памяти. В противном случае возвращается флаг MAP_FAILED.

По окончании работы с отображаемым файлом его необходимо освободить с помощью функции munmap(). Ей передается начальный адрес и длина отображаемой области. ОС Linux автоматически освобождает отображаемые области при завершении процесса.

5.3.2. Примеры программ

В этом разделе рассматриваются две программы, в которых иллюстрируются чтение и запись файлов, отображаемых в памяти. Первая программа (листинг 5.5) генерирует случайное число и записывает его в отображаемый файл. Вторая программа (листинг 5.6) читает число из файла, выводит его на экран, а затем умножает на 2 и записывает обратно в файл. Обе программы принимают имя файла из командной строки.

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/mman.h>

#include <sys/stat.h>

#include <time.h>

#include <unistd.h>

#define FILE_LENGTH 0x100

/* получение случайного числа в диапазоне [low,high]. */

int random_range(unsigned const low, unsigned const high) {

 unsigned const range = high - low + 1;

 return

  low + (int)(((double)range) * rand() / (RAND_MAX + 1.0));

}

int main (int argc, char* const argv[]) {

 int fd;

void* file_memory;

 /* Инициализация генератора случайных чисел. */

 srand(time(NULL));

 /* подготовка файла, размер которого будет достаточен для

    записи беззнакового целого числа. */

 fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

 lseek(fd, FILE_LENGTH+1, SEEK_SET);

 write(fd, "", 1);

 lseek(fd, 0, SEEK_SET);

 /* Создание отображаемой области. */

 file_memory =

  mmap(0, FILE_LENGTH, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

 close(fd);

 /* Запись случайного числа в отображаемую память. */

 sprintf((char*)file_memory,

  "%dn", random_range(-100, 100));

 /* Освобождение памяти (не обязательно, так как программа

    завершается). */

 munmap(file_memory, FILE_LENGTH);

 return 0;

}

Программа mmap-write пытается открыть файл и, если он не существует, создает его. Третий аргумент функции open() указывает на то, что файл доступен для чтения/записи. Поскольку длина файла неизвестна, с помощью функции lseek() мы убеждаемся в том, что файл имеет достаточную длину для записи беззнакового целого числа, а затем возвращаемся в начало файла.

Программа закрепляет файл за областью памяти и закрывает его дескриптор, так как в нем больше нет необходимости. После этого программа записывает случайное число в отображаемую память, т.е. в файл, и освобождает память. В принципе, вызывать функцию munmap() нет необходимости, так как ОС Linux автоматически освободит память при завершении программы.

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/mman.h>

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

#define FILE_LENGTH 0x100

int main(int argc, char* const argv[]) {

 int fd;

 void* file_memory;

 int integer;

 /* Открытие файла. */

 fd = open(argv[1], O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

 /* Создание отображаемой области. */

 file_memory =

  mmap(0, FILE_LENGTH, PROT_READ | PROT_WRITE,

  MAP_SHARED, fd, 0);

 close(fd);

 /* Чтение целого числа и вывод его на экран. */

 sscanf(file_memory, "%d", &integer);