Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Следует заметить, что любая обработка сигнала, в том числе обработка по умолчанию, подразумевает, что процесс выполняется. На системах с высокой загрузкой это может привести к существенным задержкам между отправлением и доставкой сигнала, т.к. процесс не получит сигнал, пока не будет выбран планировщиком, и ему не будут предоставлены вычислительные ресурсы. Этот вопрос был затронут при разговоре о точности таймеров, которые может использовать процесс.

Доставка сигнала происходит после того, как ядро от имени процесса вызывает системную процедуру issig(), которая проверяет, существуют ли ожидающие доставки сигналы, адресованные данному процессу. Функция issig() вызывается ядром в трех случаях:

1. Непосредственно перед возвращением из режима ядра в режим задачи после обработки системного вызова или прерывания.

2. Непосредственно перед переходом процесса в состояние сна с приоритетом, допускающим прерывание сигналом.

3. Сразу же после пробуждения после сна с приоритетом, допускающим прерывание сигналом.

Если процедура issig() обнаруживает ожидающие доставки сигналы, ядро вызывает функцию доставки сигнала, которая выполняет действия по умолчанию или вызывает специальную функцию sendsig(), запускающую обработчик сигнала, зарегистрированный процессом. Функция sendsig() возвращает процесс в режим задачи, передает управление обработчику сигнала, а затем восстанавливает контекст процесса для продолжения прерванного сигналом выполнения.

Рассмотрим типичные ситуации, связанные с отправлением и доставкой сигналов. Допустим, пользователь, работая за терминалом, нажимает клавишу прерывания (<Del> или <Ctrl>+<C> для большинства систем). Нажатие любой клавиши вызывает аппаратное прерывание (например, прерывание от последовательного порта), а драйвер терминала при обработке этого прерывания определяет, что была нажата специальная клавиша, генерирующая сигнал, и отправляет текущему процессу, связанному с терминалом, сигнал SIGINT. Когда процесс будет выбран планировщиком и запущен на выполнение, при переходе в режим задачи он обнаружит поступление сигнала и обработает его. Если же в момент генерации сигнала терминальным драйвером процесс, которому был адресован сигнал, уже выполнялся (т.е. был прерван обработчиком терминального прерывания), он также обработает сигнал при возврате в режим задачи после обработки прерывания.

Работа с сигналами, связанными с особыми ситуациями, незначительно отличается от вышеописанной. Особая ситуация возникает при выполнении процессом определенной инструкции, вызывающей в системе ошибку (например, деление на ноль, обращение к недопустимой области памяти, недопустимая инструкция или вызов и т.д.). Если такое происходит, вызывается системный обработчик особой ситуации, и процесс переходит в режим ядра, почти так же, как и при обработке любого другого прерывания. Обработчик отправляет процессу соответствующий сигнал, который доставляется, когда выполнение возвращается в режим задачи.

При обсуждении состояния сна процесса мы выделили две категории событий, вызывающих состояние сна процесса: допускающие прерывание сигналом и не допускающие такого прерывания. В последнем случае сигнал будет терпеливо ожидать нормального пробуждения процесса, например, после завершения операции дискового ввода/вывода.

В первом случае, доставка сигнала будет проверена ядром непосредственно перед переходом процесса в состояние сна. Если такой сигнал поступил, будет вызван обработчик сигнала, а системный вызов, который выполнялся процессом, будет аварийно завершен с ошибкой EINTR. Если генерация сигнала произошла в течение сна процесса, ядро будет вынуждено разбудить его и снять прерванный системный вызов (ошибка EINTR). После пробуждения процесса либо вследствие получения сигнала, либо из-за наступления ожидаемого события, ядром будет вызвана функция issig(), которая обнаружит поступление сигнала и вызовет соответствующую обработку.[41]

Взаимодействие между процессами

Как уже обсуждалось, в UNIX процессы выполняются в собственном адресном пространстве и по существу изолированы друг от друга. Тем самым сведены к минимуму возможности влияния процессов друг на друга, что является необходимым в многозадачных операционных системах. Однако от одиночного изолированного процесса мало пользы. Сама концепция UNIX заключается в модульности, т.е. основана на взаимодействии между отдельными процессами.

Для реализации взаимодействия требуется:

□ обеспечить средства взаимодействия между процессами и одновременно

□ исключить нежелательное влияние одного процесса на другой.

Взаимодействие между процессами необходимо для решения следующих задач:

□ Передача данных. Один процесс передает данные другому процессу, при этом их объем может варьироваться от десятков байтов до нескольких мегабайтов.

□ Совместное использование данных. Вместо копирования информации от одного процесса к другому, процессы могут совместно использовать одну копию данных, причем изменения, сделанные одним процессом, будут сразу же заметны для другого. Количество взаимодействующих процессов может быть больше двух. При совместном использовании ресурсов процессам может понадобиться некоторый протокол взаимодействия для сохранения целостности данных и исключения конфликтов при доступе к ним.

□ Извещения. Процесс может известить другой процесс или группу процессов о наступлении некоторого события. Это может понадобиться, например, для синхронизации выполнения нескольких процессов.

Очевидно, что решать данную задачу средствами самих процессов неэффективно, а в рамках многозадачной системы — опасно и потому невозможно. Таким образом, сама операционная система должна обеспечить механизмы межпроцессного взаимодействия (Inter-Process Communication, IPC).

К средствам межпроцессного взаимодействия, присутствующим во всех версиях UNIX, можно отнести:

□ сигналы

□ каналы

□ FIFO (именованные каналы)

□ сообщения (очереди сообщений)

□ семафоры

□ разделяемую память

Последние три типа IPC обычно обобщенно называют System V IPC.

Во многих версиях UNIX есть еще одно средство IPC — сокеты, впервые предложенные в BSD UNIX (им посвящен отдельный раздел главы).

Сигналы изначально были предложены как средство уведомления об ошибках, но могут использоваться и для элементарного IPC, например, для синхронизации процессов или для передачи простейших команд от одного процесса к другому.[42] Однако использование сигналов в качестве средства IPC ограничено из-за того, что сигналы очень ресурсоемки. Отправка сигнала требует выполнения системного вызова, а его доставка — прерывания процесса-получателя и интенсивных операций со стеком процесса для вызова функции обработки и продолжения его нормального выполнения. При этом сигналы слабо информативны и их число весьма ограничено. Поэтому сразу переходим к следующему механизму — каналам.

Каналы

Вспомните синтаксис организации программных каналов при работе в командной строке shell:

cat myfile | wc

При этом (стандартный) вывод программы cat(1), которая выводит содержимое файла myfile, передается на (стандартный) ввод программы wc(1), которая, в свою очередь подсчитывает количество строк, слов и символов. В результате мы получим что-то вроде:

12 45 260

что будет означать количество строк, слов и символов в файле myfile.

Таким образом, два процесса обменялись данными. При этом использовался программный канал, обеспечивающий однонаправленную передачу данных между двумя задачами.

Для создания канала используется системный вызов pipe(2):

int pipe(int* fildes);

который возвращает два файловых дескриптора — fildes[0] для записи в канал и fildes[1] для чтения из канала. Теперь, если один процесс записывает данные в fildes[0], другой сможет получить эти данные из fildes[1]. Вопрос только в том, как другой процесс сможет получить сам файловый дескриптор fildes[1]?

Вспомним наследуемые атрибуты при создании процесса. Дочерний процесс наследует и разделяет все назначенные файловые дескрипторы родительского. То есть доступ к дескрипторам fildes канала может получить сам процесс, вызвавший pipe(2), и его дочерние процессы. В этом заключается серьезный недостаток каналов, поскольку они могут быть использованы для передачи данных только между родственными процессами. Каналы не могут использоваться в качестве средства межпроцессного взаимодействия между независимыми процессами.