Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Состояние запущенной игры Freeciv обслуживается серверным процессом, ядром игры. Игроки запускают GUI-клиенты, которые обмениваются информацией и командами с сервером посредством пакетного протокола. Вся игровая логика обрабатывается на сервере. Детали GUI-интерфейса обрабатываются клиентом. Различные клиенты поддерживают разные стили интерфейсов.

Организация данной игры весьма типична для сетевых игр с множеством участников. Пакетный протокол использует в качестве транспорта протокол TCP/IP, поэтому один сервер способен поддерживать клиентов, запущенных на различных узлах в Internet. В других играх, более похожих на симуляторы реального времени (особенно боевые игры от первого лица), используется протокол дейтаграмм Internet (UDP), и низкая задержка достигается за счет некоторой ненадежности доставки какого-либо определенного пакета. В таких играх пользователи, как правило, непрерывно выполняют управляющие действия, поэтому единичные потери пакетов допустимы, а задержка фатальна.

7.2.6.6. Общая память

Тогда как два процесса, использующие для информационного обмена сокеты, могут выполняться на различных машинах (и в действительности могут быть разделены Internet-соединением, "огибающим" половину планеты), общая память (shared memory) требует, чтобы поставщики и потребители данных одновременно находились в памяти одного компьютера. Однако, если процессы, обменивающиеся данными, могут получить доступ к одной физической памяти, то общая память будет самым быстрым способом передачи информации между ними.

Общая память может быть представлена различными API-интерфейсами, но в современных Unix-системах реализация обычно зависит от использования функции mmap(2) для отображения файлов в общую память. В стандарте POSIX определяется средство shm_open(3) с API-интерфейсом, поддерживающим использование файлов в качестве общей памяти. Данная функция, главным образом, предоставляет операционной системе возможность не сбрасывать на диск данные псевдофайла.

Так как доступ к общей памяти автоматически не сериализуется в каком-либо порядке, подобном вызовам чтения и записи, программы с общей памятью должны обрабатывать проблемы конфликтов и взаимоблокировок самостоятельно, обычно путем использования семафоров, находящихся в совместно используемом сегменте. В данном случае возникают проблемы, подобные проблемам мультипроцессной обработки (их обсуждение приведено в конце данной главы), но они являются более управляемыми, так как по умолчанию программы не используют общую память. Поэтому проблемы становятся более контролируемыми.

В системах, где это доступно и надежно работает, средство учета (scoreboard facility) Web-сервера Apache применяет общую память для обмена данными между главным процессом Apache и пулом распределения нагрузки образов Apache, которыми он управляет. В современных реализациях системы X также применяется общая память для передачи больших образов между клиентом и сервером, когда они находятся в памяти одной машины. В данном случае эта методика применяется для того, чтобы избежать издержек связи с использованием сокетов. Оба варианта применения представляют собой средство повышения производительности, обоснованное скорее опытом и тестами, чем архитектурным выбором.

Вызов mmap(2) поддерживается во всех современных Unix-системах, включая Linux и версии BSD с открытым исходным кодом. Он описан в единой спецификации Unix (Single Unix Specification). Обычно он недоступен в Windows, классической MacOS и других операционных системах.

До того как появилась специализированная функция mmap(2), общим способом сообщения двух процессов было открытие одного и того же файла и последующее удаление данного файла. Файл не удалялся до тех пор, пока не были закрыты все открытые дескрипторы данного файла, но некоторые старые Unix-системы использовали обнуление счетчика ссылок как указание на то, что обновление дисковой копии файла можно прекратить. Недостатком в этом случае было то, что вспомогательным запоминающим устройством была файловая система, а не устройство подкачки. Отключить файловую систему, на которой находился удаляемый файл, было невозможно до тех пор, пока не были закрыты использующие его программы, а подключение новых процессов к существующему сегменту общей памяти, выполненное таким способом, было в лучшем случае сложным.

После появления версии 7 и разделения ветвей BSD и System V эволюция межпроцессного взаимодействия в Unix стала развиваться в двух различных направлениях. Направление BSD привело к появлению сокетов. С другой стороны, ветвь AT&T развивала именованные каналы (как было сказано ранее) и IPC-средство, специально предназначенное для передачи двоичных данных и основанное на двунаправленных очередях сообщений в общей памяти. Это направление называется "System V IPC" или "Indian Hill IPC" (среди профессионалов прежней школы).

Верхний уровень System V IPC, уровень передачи сообщений, почти совершенно вышел из употребления. Нижний уровень, состоящий из общей памяти и семафоров, до сих пор находит широкое применение в условиях, когда необходимо выполнять блокировку с взаимным исключением и некоторое совместное использование глобальных данных между процессами, запущенными на одной машине. Данные средства общей памяти в System V развились в API с общей памятью стандарта POSIX, поддерживаемого в Linux, различных версиях BSD, MacOS X и Windows, но не в классической MacOS.

Используя данные средства общей памяти и семафоров (shmget(2), semget(2) и им подобные), можно избежать издержек копирования данных через сетевой стек. Данная техника интенсивно используется в крупных коммерческих базах данных (включая Oracle, DB2, Sybase и Informix).

7.3. Проблемы и методы, которых следует избегать

Несмотря на то, что BSD-сокеты через TCP/IP стали доминирующим IPC-методом в Unix, до сих пор продолжаются оживленные споры по поводу правильного способа разделения программ средствами мультипрограммирования. Некоторые устаревшие методы еще окончательно не умерли, а из других операционных систем заимствуются некоторые методики с сомнительной эффективностью (часто в связи с обработкой графики или программированием GUI-интерфейсов). Ниже рассматриваются некоторые небезопасные альтернативы.

7.3.1. Устаревшие IPC-методы в Unix

Операционная система Unix (созданная в 1969 году) предшествовала протоколу TCP/IP (появившемуся в 1980 году) и повсеместному распространению сетей позднее в 90-х годах прошлого века. Неименованные каналы, перенаправление и вызовы с созданием подоболочки были характерны для Unix с ранних дней ее существования, однако история Unix изобилует отжившими API-интерфейсами, связанными с устаревшими IPC-методами и сетевыми моделями, начиная со средства mx(), которое появилось в версии 6 (1976) и было отклонено до выхода версии 7 (1979).

В конечном итоге BSD-сокеты победили, когда IPC-механизм объединился с сетью. Однако это случилось только после 15 лет исследований, которые оставили за собой множество пережитков. Знать о них полезно, поскольку в Unix-документации, вероятно, найдутся ссылки на них, которые могут создать ошибочное мнение о том, что данные методы все еще используются. Более подробно эти устаревшие методы описываются в книге "Unix Network Programming" [80].

Действительным оправданием для всех "мертвых" IPC-средств в старых Unix-системах ветви AT&T была политика. Группу поддержки Unix (The Unix Support Group) возглавлял менеджер низкого уровня, тогда как некоторыми проектами, в которых использовалась Unix, руководили вице-президенты. У них были возможности создавать непреодолимые запросы, и они не потерпели бы возражения, что большинство IPC-механизмов являются взаимозаменяемыми.

7.3.1.1. System V IPC

Средства System V IPC — средства передачи сообщений, основанные на имеющихся в System V возможностях общей памяти, которые были описаны ранее.

Программы, взаимодействующие с помощью System V IPC, обычно определяют общие протоколы, основанные на обмене короткими (до 8 Кб) двоичными сообщениями. Соответствующие справочные руководства доступны для msgctl(2) и подобных функций. Поскольку данный стиль был почти полностью вытеснен текстовыми протоколами передачи данных между сокетами, примеры этой методики здесь не предоставляются.

Средства System V IPC присутствуют в Linux и других Unix-системах. Однако, поскольку они являются устаревшими, но используются не очень часто. Известно, что Linux-версия до середины 2003 года имела ошибки. Очевидно, никто не заботится об их исправлении.

7.3.1.2. Потоки

Потоки (streams) сетевого взаимодействия были разработаны Деннисом Ритчи для Unix Version 8 (1985). Их новая реализация называется STREAMS (именно так, в документации все буквы прописные). Впервые она стала доступной в версии 3.0 System V Unix (1986). Средство STREAMS обеспечивало дуплексный интерфейс (функционально не отличавшийся от BSD-сокетов, и подобно сокетам доступ к нему осуществлялся посредством обычных операций read(2) и write(2) после первоначальной установки) между пользовательским процессом и указанным драйвером устройства в ядре. Драйвер устройства мог быть аппаратным, таким как последовательная или сетевая плата, или исключительно программным псевдоустройством, установленным для передачи данных между пользовательскими процессами.