The OpenNET Project / Index page

[ новости/++ | форум | wiki | теги | ]

Параллельное программирование - взаимодействие между процессами. (rpc proccess)


<< Предыдущая ИНДЕКС Поиск в статьях src Установить закладку Перейти на закладку Следующая >>
Ключевые слова: rpc, proccess,  (найти похожие документы)
From: Dmitry Martsynkevitch <ursa(at)zaba.ru> Orig: http://www.linuxfocus.org/Russian/January2003/article281.shtml Subject: Параллельное программирование - взаимодействие между процессами. [Leonardo] автор Leonardo Giordani <leo.giordani(at)libero.it> Об авторе: Студент Политехнического Университета Милана, учится на факультете телекоммуникационных технологий, работает сетевым администратором и интересуется программированием (в основном на Ассемблере и C/C++). С 1999 практически постоянно работает в Linux/Unix. Перевод на Русский: Dmitry Martsynkevitch <ursa(at)zaba.ru> Содержание: * Введение * Ключи SysV * Семафоры * Рекомендуемая литература * Страница отзывов Параллельное программирование -- взаимодействие между процессами. [run in paralell] Резюме: Целью данной серии статей является ознакомление читателя с концепцией многозадачности и её реализацией в операционной системе Linux. Начав с теоретических основ, мы закончим написанием полноценной программы, демонстрирующей взаимодействие между процессами, с простым, но эффективным протоколом коммуникации. Что необходимо знать для понимания данной статьи: * Минимальные знания shell * Основы языка C (синтаксис, циклы, библиотеки) Также вам следует прочитать первую статью из этого цикла, поскольку она является основой для данной: November 2002, article 272. _________________ _________________ _________________ Введение Ну вот и опять мы боремся с мультизадачностью в Linux. Как мы видели в предыдущей статье, чтобы создать новый процесс, нужно всего несколько строк в коде, так как операционная система берёт на себя инициализацию, управление и распределение рабочего времени процесса, созданного нами. Это свойство системы является фундаментальным, это ``контроль выполнения процессов'', контроль до такой степени, что процессы исполняются в своих собственных адресных пространствах. Потеря контроля над выполнением процесса приводит разработчика к проблеме синхронизации, которую можно выразить следующим вопросом: как сделать возможной совместную работу двух процессов? На самом деле проблема несколько более сложная, чем может показаться: это не только вопрос одновременной работы программ, но также и вопрос одновременного использования одних данных, как для чтения, так и для записи. Поговорим о некоторых классических проблемах одновременного использования данных; если два процесса одновременно читают один набор данных, то это, очевидно, не создаёт проблем, и выполнение процессов -- последовательное. Пусть теперь один процесс изменяет набор данных: результат работы второго процесса будет зависеть от того, прочёл процесс данные до или после их изменения. Например: у нас есть два процесса "А" и "В" и целое число "d". Процесс А увеличивает d на единицу, процесс В печатает значение d. Это можно записать на условном языке так: A { d->d+1 } & B { d->output } здесь "&" означает одновременное выполнение процессов. Сначала может быть выполнен процесс А, (-) d = 5 (A) d = 6 (B) output = 6 а может и процесс В: (-) d = 5 (B) output = 5 (A) d = 6 Сразу понятно, как важно уметь правильно обращаться с такими ситуациями: риск противоречивости данных высок и неприемлем. Если вы всё ещё недооцениваете эту проблему, представьте, что набор данных -- это ваш банковский счёт... В предыдущей статье мы уже говорили о первом способе синхронизации --- использовании функции waitpid(2), позволяющей процессу подождать завершения другого процесса, работающего на том же наборе данных, и только затем продолжить свою работу. Очевидно, это не самый лучший способ: процесс вынужден простаивать в ожидании завершения работы вторым процессом. Неприятность заключается в том, что второй процесс может работать довольно долго, а общими данными пользоваться весьма короткий промежуток времени. Таким образом, нам необходимо увеличить "гранулированность" нашего управления, т.е. управлять отдельными наборами данных. Решение данной проблемы -- примитивы из стандартной библиотеки, известной как SysV IPC (Взаимодействие процессов в System V).
Ключи SysV Прежде чем перейти к самой теории одновременности, давайте познакомимся с типичной SysV структурой: IPC ключами. IPC ключ -- это число, однозначно идентифицирующее IPC структуру управления (описывается ниже). Также ключ можно использовать для образования универсальных идентификаторов, т.е. для организации не IPC структур. Ключ создаётся функцией ftok(3). key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); Для генерирования ключа ftok берёт имя существующего файла (pathname) и идентификатор процесса (proj_id). Алгоритм построения ключа не исключает возможности появления дубликатов, поэтому следует иметь маленькую библиотеку, просматривающую уже созданные ключи и не допускающую повторений.
Семафоры Идею управления дорожным движением с помощью семафоров можно без особых изменений перенести на управление доступом к данным. Семафор -- особая структура, содержащая число большее или равное нулю и управляющая цепочкой процессов, ожидающих особого состояния на данном семафоре. Хотя они и кажутся очень простыми, семафоры -- это очень мощное средство, а потому, на самом деле, весьма сложное. Начнём, как всегда, не рассматривая обработку ошибок: мы включим её в код, когда будем писать более сложную программу. Семафоры могут использоваться для контролирования доступа к ресурсам: число в семафоре представляет собой количество процессов, которые могут получить доступ к данным. Каждый раз, когда процесс обращается к данным, значение в семафоре, должно быть уменьшено на единицу, и увеличено, когда работа с данными будет прекращена. Если ресурс эксклюзивный, то есть к данным должен иметь доступ только один процесс, то начальное значение в семафоре следует установить единицей. Семафоры можно использовать и для других целей, например для счётчика ресурсов. В этом случае число в семафоре -- количество свободных ресурсов (например количество свободных ячеек памяти). Рассмотрим практическое применение семафоров. Пусть у нас есть буфер, в который несколько процессов S1,...,Sn могут писать, и только один процесс L может из него читать. Также операции нельзя выполнять одновременно (в данный момент времени только один процесс должен оперировать с буфером). Очевидно, что процессы Si могут писать всегда, когда буфер не полон, а процесс L может читать, когда буфер не пуст. Таким образом, нам необходимо три семафора: один управляет доступом к буферу, а два других следят за числом элементов в нём. Учитывая, что доступ к буферу должен быть эксклюзивным, первый семафор будет бинарным (его значение будет нулём или единицей), в то время как второй и третий будут принимать значения, зависящие от размера буфера. Рассмотрим, как реализованы семафоры на C, в SysV. Создаёт семафор функция semget(2) int semget(key_t key, int nsems, int semflg); здесь key -- IPC ключ, nsems -- число семафоров, которое мы хотим создать, и semflg -- права доступа, закодированные в 12 бит: первые три бита отвечают за режим создания, остальные девять -- права на запись и чтение для пользователя, группы и остальных (заметьте сходство с файловой системой в Unix). За более полной информацией загляните в man страницы ipc(5). Как вы видите SysV создаёт сразу несколько семафоров, что уменьшает код. Давайте создадим наш первый семафор #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <linux/types.h> #include <linux/ipc.h> #include <linux/sem.h> int main(void) { key_t key; int semid; key = ftok("/etc/fstab", getpid()); /* создать только один семафор: */ semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); return 0; } Далее нам надо выяснить как управлять семафорами, и как удалять их. Управление происходит с помощью функции semctl(2), int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...) которая выполняет действие cmd на наборе семафоров semid или (если требуется командой) на одном семафоре с номером semnum. Мы расскажем о свойствах это команды, когда станет необходимо, полный же список свойств доступен на man страницах. В зависимости от команды, может понадобится указать ещё один аргумент следующего типа: union semun { int val; /* значение для SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* буферы для IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* массивы для GETALL, SETALL */ /* часть, особенная для Linux: */ struct seminfo *__buf; /* буфер для IPC_INFO */ }; Чтобы изменить значение семафора, используют директиву SETVAL, новое значение должно быть указано в semun; давайте модифицируем приведённую выше программу, устанавливая в семафоре значение 1. [...] /* создать только один семафор */ semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); /* в семафоре 0 установить значение 1 */ arg.val = 1; semctl(semid, 0, SETVAL, arg); [...] Теперь необходимо удалить семафор, освобождая структуры, использовавшиеся для управления им; это выполняет директива IPC_RMID. Она удаляет семафор и посылает сообщение об этом всем процессам, ожидающим доступа к ресурсу. Последний раз изменим программу: [...] /* в семафоре 0 установить значение 1 */ arg.val = 1; semctl(semid, 0, SETVAL, arg); /* удалить семафор */ semctl(semid, 0, IPC_RMID); [...] Как вы уже поняли, создание и управление структурами контроля за параллельным выполнением программ достаточно просто, когда мы добавим обработку ошибок, всё станет несколько более сложно, но только в смысле сложности кода. Использовать семафор можно с помощью процедуры semop(2), int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops); здесь semid -- идентификатор набора семафоров, sops -- массив, содержащий операции, которые необходимо произвести, nsops -- число этих операций. Каждая операция представляется структурой sembuf. unsigned short sem_num; short sem_op; short sem_flg; т.е номером семафора в множестве (sem_num), операцией (sem_op) и флагом, устанавливающим режим ожидания; пусть пока он будет нулём. Операции, которые мы можем указать, являются целыми числами и подчиняются следующим правилам: 1. sem_op < 0 Если модуль значения в семафоре больше или равен модулю sem_op, то sem_op добавляется к значению в семафоре (т.е. значение в семафоре уменьшается). Если модуль sem_op больше, то процесс переходит в спящий режим, пока не будет достаточно ресурсов. 2. sem_op = 0 Процесс спит пока значение в семафоре не достигнет нуля. 3. sem_op > 0 Значение sem_op добавляется к значению в семафоре, используемый ресурс освобождается. Следующая программа представляет пример использования семафоров, реализуя предыдущий пример с буфером: мы создадим пять процессов W и один процесс R. Процессы W будут пытаться получить доступ к ресурсу (буферу), закрывая его через семафор, и, если буфер не полон, будут класть в него элемент и освобождать ресурс. Процесс R будет закрывать ресурс, брать из него элемент, если буфер не пуст, и разблокировать ресурс. Чтение и запись в буфер на самом деле ненастоящие: так происходит потому, что, как обсуждалось в предыдущей статье, каждый процесс выполняется в своём собственной области памяти и не может обращаться к памяти другого процесса. Это делает настоящее управление буфером шестью процессами невозможным, так как каждый процесс будет видеть свою копию буфера. всё встанет на свои места, когда мы будем говорить о разделяемой памяти, но давайте быть последовательными. Почему нам нужно три семафора? Первый (с номером 0) действует как замок к буферу, и его максимальное значение равно единице, остальные два отвечают за переполнение и наличие элементов в буфере. Одним семафором этого не добиться. Потребность в двух семафорах связана с особенностью работы функции semop. Если, например, процессы W уменьшают значение в семафоре, отвечающем за свободное место в буфере, до нуля, то процесс R может увеличивать это значение до бесконечности. Поэтому такой семафор не может указывать на отсутствие элементов в буфере. #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <linux/types.h> #include <linux/ipc.h> #include <linux/sem.h> int main(int argc, char *argv[]) { /* IPC */ pid_t pid; key_t key; int semid; union semun arg; struct sembuf lock_res = {0, -1, 0}; struct sembuf rel_res = {0, 1, 0}; struct sembuf push[2] = {1, -1, IPC_NOWAIT, 2, 1, IPC_NOWAIT}; struct sembuf pop[2] = {1, 1, IPC_NOWAIT, 2, -1, IPC_NOWAIT}; /* Остальное */ int i; if(argc < 2){ printf("Usage: bufdemo [dimensione]\n"); exit(0); } /* Семафоры */ key = ftok("/etc/fstab", getpid()); /* Создать набор из трёх семафоров */ semid = semget(key, 3, 0666 | IPC_CREAT); /* Установить в семафоре номер 0 (Контроллер ресурсов) значение "1" */ arg.val = 1; semctl(semid, 0, SETVAL, arg); /* Установить в семафоре номер 1 (Контроллер свободного места) значение длины буфера */ arg.val = atol(argv[1]); semctl(semid, 1, SETVAL, arg); /* Установить в семафоре номер 2 (Контроллер элементов в буфере) значение "0" */ arg.val = 0; semctl(semid, 2, SETVAL, arg); /* Fork */ for (i = 0; i < 5; i++){ pid = fork(); if (!pid){ for (i = 0; i < 20; i++){ sleep(rand()%6); /* Попытаться заблокировать ресурс (семафор номер 0) */ if (semop(semid, &lock_res, 1) == -1){ perror("semop:lock_res"); } /* Уменьшить свободное место (семафор номер 1) / Добавить элемент (семафор номер 2) */ if (semop(semid, &push, 2) != -1){ printf("---> Process:%d\n", getpid()); } else{ printf("---> Process:%d BUFFER FULL\n", getpid()); } /* Разблокировать ресурс */ semop(semid, &rel_res, 1); } exit(0); } } for (i = 0;i < 100; i++){ sleep(rand()%3); /* Попытаться заблокировать ресурс (семафор номер 0)*/ if (semop(semid, &lock_res, 1) == -1){ perror("semop:lock_res"); } /* Увеличить свободное место (семафор номер 1) / Взять элемент (семафор номер 2) */ if (semop(semid, &pop, 2) != -1){ printf("<--- Process:%d\n", getpid()); } else printf("<--- Process:%d BUFFER EMPTY\n", getpid()); /* Разблокировать ресурс */ semop(semid, &rel_res, 1); } /* Удалить семафоры */ semctl(semid, 0, IPC_RMID); return 0; } Прокомментируем наиболее интересные части кода: struct sembuf lock_res = {0, -1, 0}; struct sembuf rel_res = {0, 1, 0}; struct sembuf push[2] = {1, -1, IPC_NOWAIT, 2, 1, IPC_NOWAIT}; struct sembuf pop[2] = {1, 1, IPC_NOWAIT, 2, -1, IPC_NOWAIT}; Эти четыре строки -- действия, которые мы можем производить над семафорами: первые две -- содержат по одному действия каждая, вторые -- по две. Первое действие, lock_res, блокирует ресурс: оно уменьшает значение первого (номер 0) семафора на единицу (если значение в семафоре не нуль), а если ресурс уже занят, то процесс ждёт. Действие rel_res аналогично lock_res, только значение в первом семафоре увеличивается на единицу, т.е. убирается блокировка ресурса. Действия push и pop несколько отличаются от первых: это массивы из двух действий. Первое действие над семафором номер 1, второе -- над семафором номер 2; одно увеличивает значение в семафоре, другое уменьшает, но теперь процесс не будет ждать освобождения ресурса: IPC_NOWAIT заставляет его продолжить работу, если ресурс заблокирован. /* Установить в семафоре номер 0 (Контроллер ресурсов) значение "1" */ arg.val = 1; semctl(semid, 0, SETVAL, arg); /* Установить в семафоре номер 1 (Контроллер свободного места) значение длины буфера */ arg.val = atol(argv[1]); semctl(semid, 1, SETVAL, arg); /* Установить в семафоре номер 2 (Контроллер элементов в буфере) значение "0" */ arg.val = 0; semctl(semid, 2, SETVAL, arg); Здесь мы инициализируем значения в семафорах: в первом -- единицей, так как он контролирует доступ к ресурсу, во втором -- длиной буфера (заданной в командной строке), в третьем -- нулём (т.е. числом элементов в буфере). /* Попытаться заблокировать ресурс (семафор номер 0) */ if (semop(semid, &lock_res, 1) == -1){ perror("semop:lock_res"); } /* Уменьшить свободное место (семафор номер 1) / Добавить элемент (семафор номер 2) */ if (semop(semid, &push, 2) != -1){ printf("---> Process:%d\n", getpid()); } else{ printf("---> Process:%d BUFFER FULL\n", getpid()); } /* Освободить ресурс */ semop(semid, &rel_res, 1); Процесс W пытается заблокировать ресурс посредством действия lock_res; как только это ему удаётся, он добавляет элемент в буфер посредством действия push и выводит сообщение об этом на стандартный вывод. Если операция не может быть произведена, процесс выводит сообщение о заполнении буфера. В конце процесс освобождает ресурс. /* Попытаться заблокировать ресурс (семафор номер 0) */ if (semop(semid, &lock_res, 1) == -1){ perror("semop:lock_res"); } /* Увеличить свободное место (семафор номер 1) / Взять элемент (семафор номер 2) */ if (semop(semid, &pop, 2) != -1){ printf("<--- Process:%d\n", getpid()); } else printf("<--- Process:%d BUFFER EMPTY\n", getpid()); /* Отпустить ресурс */ semop(semid, &rel_res, 1); Процесс R ведёт себя практически так же как и W процесс: блокирует ресурс, производит действие pop, освобождает ресурс. В следующей статье мы поговорим об очередях сообщений: другой структуре для межпроцессового общения и синхронизации. Как всегда, если вы пишете что-нибудь простое, используя информацию из этой статьи, присылайте это мне, с вашим именем и e-mail адресом, буду рад прочитать. Удачи!
Рекомендуемая литература * Silberschatz, Galvin, Gagne, Operating System Concepts - Sixth Edition, Wiley&Sons, 2001 * Tanenbaum, WoodHull, Operating Systems: Design and Implementation - Second Edition, Prentice Hall, 2000 * Stallings, Operating Systems - Fourth Edition, Prentice Hall, 2002 * Bovet, Cesati, Understanding the Linux Kernel, O'Reilly, 2000 * The Linux Programmer's Guide: http://www.tldp.org/LDP/lpg/index.html * Linux Kernel 2.4 Internals http://www.tldp.org/LDP/lki/lki-5.html LinuxFocus Editor team © Leonardo Giordani, FDL LinuxFocus.org Translation information: it --> -- : Leonardo Giordani <leo.giordani(at)libero.it> it --> en: Leonardo Giordani <leo.giordani(at)libero.it> en --> ru: Dmitry Martsynkevitch <ursa(at)zaba.ru> Оригинал: http://www.linuxfocus.org/Russian/January2003/article281.shtml

<< Предыдущая ИНДЕКС Поиск в статьях src Установить закладку Перейти на закладку Следующая >>

Обсуждение [ RSS ]

Ваш комментарий
Имя:         
E-Mail:      
Заголовок:
Текст:




  Закладки на сайте
  Проследить за страницей
Created 1996-2017 by Maxim Chirkov  
ДобавитьРекламаВебмастеруГИД  
Hosting by Ihor