Преимущества и недостатки потокового обмена данными.

Преимущества и недостатки потокового обмена данными.

На предыдущем семинаре мы познакомились с механизмами, обеспечивающими потоковую передачу данных между процессами в операционной системе UNIX, а именно с pip 'ами и FIFO. Потоковые механизмы достаточно просты в реализации и удобны для использования, но имеют ряд существенных недостатков:

· Операции чтения и записи не анализируют содержимое передаваемых данных. Процесс, прочитавший 20 байт из потока, не может сказать, были ли они записаны одним процессом или несколькими, записывались ли они за один раз или было, например, выполнено 4 операции записи по 5 байт. Данные в потоке никак не интерпретируются системой. Если требуется какая-либо интерпретация данных, то передающий и принимающий процессы должны заранее согласовать свои действия и уметь осуществлять ее самостоятельно.

· Для передачи информации от одного процесса к другому требуется, как минимум, две операции копирования данных: первый раз – из адресного пространства передающего процесса в системный буфер, второй раз – из системного буфера в адресное пространство принимающего процесса.

· Процессы, обменивающиеся информацией, должны одновременно существовать в вычислительной системе. Нельзя записать информацию в поток с помощью одного процесса, завершить его, а затем, через некоторое время, запустить другой процесс и прочитать записанную информацию.

Понятие о System V IPC

Указанные выше недостатки потоков данных привели к разработке других механизмов передачи информации между процессами. Часть этих механизмов, впервые появившихся в UNIX System V и впоследствии перекочевавших оттуда практически во все современные версии операционной системы UNIX, получила общее название System V IPC (IPC – сокращение от interprocess communications). В группу System V IPC входят: очереди сообщений, разделяемая память и семафоры. Эти средства организации взаимодействия процессов связаны не только общностью происхождения, но и обладают схожим интерфейсом для выполнения подобных операций, например, для выделения и освобождения соответствующего ресурса в системе. Мы будем рассматривать их в порядке от менее семантически нагруженных с точки зрения операционной системы к более семантически нагруженным. Иными словами, чем позже мы начнем заниматься каким-либо механизмом из System V IPC, тем больше действий по интерпретации передаваемой информации придется выполнять операционной системе при использовании этого механизма. Часть этого семинара мы посвятим изучению разделяемой памяти. Семафоры будут рассматриваться на семинаре 8, а очереди сообщений – на семинаре 9.

Дескрипторы System V IPC

Мы говорили (см. семинар 5 раздел "Файловый дескриптор "), что информацию о потоках ввода-вывода, с которыми имеет дело текущий процесс, в частности о pip 'ах и FIFO, операционная система хранит в таблице открытых файлов процесса. Системные вызовы, осуществляющие операции над потоком, используют в качестве параметра индекс элемента таблицы открытых файлов, соответствующего потоку, – файловый дескриптор. Использование файловых дескрипторов для идентификации потоков внутри процесса позволяет применять к ним уже существующий интерфейс для работы с файлами, но в то же время приводит к автоматическому закрытию потоков при завершении процесса. Этим, в частности, объясняется один из перечисленных выше недостатков потоковой передачи информации.

При реализации компонентов System V IPC была принята другая концепция. Ядро операционной системы хранит информацию обо всех средствах System V IPC, используемых в системе, вне контекста пользовательских процессов. При создании нового средства связи или получении доступа к уже существующему процесс получает неотрицательное целое число – дескриптор (идентификатор) этого средства связи, которое однозначно идентифицирует его во всей вычислительной системе. Этот дескриптор должен передаваться в качестве параметра всем системным вызовам, осуществляющим дальнейшие операции над соответствующим средством System V IPC.

Подобная концепция позволяет устранить один из самых существенных недостатков, присущих потоковым средствам связи – требование одновременного существования взаимодействующих процессов, но в то же время требует повышенной осторожности для того, чтобы процесс, получающий информацию, не принял взамен новых старые данные, случайно оставленные в механизме коммуникации.

Команды ipcs и ipcrm

Как мы видели из предыдущего примера, созданная область разделяемой памяти сохраняется в операционной системе даже тогда, когда нет ни одного процесса, включающего ее в свое адресное пространство. С одной стороны, это имеет определенные преимущества, поскольку не требует одновременного существования взаимодействующих процессов, с другой стороны, может причинять существенные неудобства. Допустим, что предыдущие программы мы хотим использовать таким образом, чтобы подсчитывать количество запусков в течение одного, текущего, сеанса работы в системе. Однако в созданном сегменте разделяемой памяти остается информация от предыдущего сеанса, и программы будут выдавать общее количество запусков за все время работы с момента загрузки операционной системы. Можно было бы создавать для нового сеанса новый сегмент разделяемой памяти, но количество ресурсов в системе не безгранично. Нас спасает то, что существуют способы удалять неиспользуемые ресурсы System V IPC как с помощью команд операционной системы, так и с помощью системных вызовов. Все средства System V IPC требуют определенных действий для освобождения занимаемых ресурсов после окончания взаимодействия процессов. Для того чтобы удалять ресурсы System V IPC из командной строки, нам понадобятся две команды, ipcs и ipcrm.

Команда ipcs выдает информацию обо всех средствах System V IPC, существующих в системе, для которых пользователь обладает правами на чтение: областях разделяемой памяти, семафорах и очередях сообщений.

Команда ipcs Синтаксис команды ipcs [-asmq] [-tclup] ipcs [-smq] -i id ipcs -h Описание команды Команда ipcs предназначена для получения информации о средствах System V IPC, к которым пользователь имеет право доступа на чтение. Опция -i позволяет указать идентификатор ресурсов. Будет выдаваться только информация для ресурсов, имеющих этот идентификатор. Виды IPC ресурсов могут быть заданы с помощью следующих опций: · –s для семафоров; · -m для сегментов разделяемой памяти; · -q для очередей сообщений; · -a для всех ресурсов (по умолчанию). Опции [-tclup] используются для изменения состава выходной информации. По умолчанию для каждого средства выводятся его ключ, идентификатор IPC, идентификатор владельца, права доступа и ряд других характеристик. Применение опций позволяет вывести: · -t времена совершения последних операций над средствами IPC; · -p идентификаторы процесса, создавшего ресурс, и процесса, совершившего над ним последнюю операцию; · -c идентификаторы пользователя и группы для создателя ресурса и его собственника; · -l системные ограничения для средств System V IPC; · -u общее состояние IPC ресурсов в системе. Опция -h используется для получения краткой справочной информации.

Из всего многообразия выводимой информации нас будут интересовать только IPC идентификаторы для средств, созданных вами. Эти идентификаторы будут использоваться в команде ipcrm, позволяющей удалить необходимый ресурс из системы. Для удаления сегмента разделяемой памяти эта команда имеет вид:

ipcrm shm <IPC идентификатор>

Удалите созданный вами сегмент разделяемой памяти из операционной системы, используя эти команды.

Команда ipcrm Синтаксис команды ipcrm [shm | msg | sem] id Описание команды Команда ipcrm предназначена для удаления ресурса System V IPC из операционной системы. Параметр id задает IPC идентификатор для удаляемого ресурса, параметрshm используется для сегментов разделяемой памяти, параметр msg – для очередей сообщений, параметр sem – для семафоров.

Если поведение программ, использующих средства System V IPC, базируется на предположении, что эти средства были созданы при их работе, не забывайте перед их запуском удалять уже существующие ресурсы.

Самостоятельное написание, компиляция и запуск программы для организации связи двух процессов через разделяемую память.

Для закрепления полученных знаний напишите две программы, осуществляющие взаимодействие через разделяемую память. Первая программа должна создавать сегмент разделяемой памяти и копировать туда собственный исходный текст, вторая программа должна брать оттуда этот текст, печатать его на экране и удалять сегмент разделяемой памяти из системы.

Понятие о нити исполнения (thread) в UNIX. Идентификатор нити исполнения. Функция pthread_self()

На лекции 4 мы говорили, что во многих современных операционных системах существует расширенная реализация понятия процесс, когда процесс представляет собой совокупность выделенных ему ресурсов и набора нитей исполнения. Нити процесса разделяют его программный код, глобальные переменные и системные ресурсы, но каждая нить имеет собственный программный счетчик, свое содержимое регистров и свой стек. Поскольку глобальные переменные у нитей исполнения являются общими, они могут использовать их, как элементы разделяемой памяти, не прибегая к механизму, описанному выше.

В различных версиях операционной системы UNIX существуют различные интерфейсы, обеспечивающие работу с нитями исполнения. Мы кратко ознакомимся с некоторыми функциями, позволяющими разделить процесс на thread 'ы и управлять их поведением, в соответствии со стандартом POSIX. Нити исполнения, удовлетворяющие стандарту POSIX, принято называть POSIX thread 'ами или, кратко, pthread'ами.

К сожалению, операционная система Linux не полностью поддерживает нити исполнения на уровне ядра системы. При создании нового thread 'а запускается новый традиционный процесс, разделяющий с родительским традиционным процессом его ресурсы, программный код и данные, расположенные вне стека, т.е. фактически действительно создается новый thread, но ядро не умеет определять, что эти thread 'ы являются составными частями одного целого. Это "знает" только специальный процесс-координатор, работающий на пользовательском уровне и стартующий при первом вызове функций, обеспечивающих POSIX интерфейс для нитей исполнения. Поэтому мы сможем наблюдать не все преимущества использования нитей исполнения (в частности, ускорить решение задачи на однопроцессорной машине с их помощью вряд ли получится), но даже в этом случае thread 'ы можно задействовать как очень удобный способ для создания процессов с общими ресурсами, программным кодом и разделяемой памятью.

Каждая нить исполнения, как и процесс, имеет в системе уникальный номер – идентификатор thread'a. Поскольку традиционный процесс в концепции нитей исполнения трактуется как процесс, содержащий единственную нить исполнения, мы можем узнать идентификатор этой нити и для любого обычного процесса. Для этого используется функция pthread_self(). Нить исполнения, создаваемую при рождении нового процесса, принято называть начальной или главной нитью исполнения этого процесса.

Функция pthread_self() Прототип функции #include <pthread.h> pthread_t pthread_self(void); Описание функции Функция pthread_self возвращает идентификатор текущей нити исполнения. Тип данных pthread_t является синонимом для одного из целочисленных типов языка C.

Создание и завершение thread'а. Функции pthread_create(), pthread_exit(), pthread_join()

Нити исполнения, как и традиционные процессы, могут порождать нити-потомки, правда, только внутри своего процесса. Каждый будущий thread внутри программы должен представлять собой функцию с прототипом

void *thread(void *arg);

Параметр arg передается этой функции при создании thread 'a и может, до некоторой степени, рассматриваться как аналог параметров функции main(), о которых мы говорили на семинарах 3–4. Возвращаемое функцией значение может интерпретироваться как аналог информации, которую родительский процесс может получить после завершения процесса-ребенка. Для создания новой нити исполнения применяется функция pthread_create().

Функция для создания нити исполнения Прототип функции #include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void * (*start_routine)(void *), void *arg); Описание функции Функция pthread_create служит для создания новой нити исполнения (thread'а) внутри текущего процесса. Настоящее описание не является полным описанием функции, а служит только целям данного курса. Для изучения полного описания обращайтесь к UNIX Manual. Новый thread будет выполнять функцию start_routine с прототипом void *start_routine(void *) передавая ей в качестве аргумента параметр arg. Если требуется передать более одного параметра, они собираются в структуру, и передается адрес этой структуры. Значение, возвращаемое функцией start_routine не должно указывать на динамический объект данного thread'а. Параметр attr служит для задания различных атрибутов создаваемого thread'а. Их описание выходит за рамки нашего курса, и мы всегда будем считать их заданными по умолчанию, подставляя в качестве аргумента значение NULL. Возвращаемые значения При удачном завершении функция возвращает значение 0 и помещает идентификатор новой нити исполнения по адресу, на который указывает параметр thread. В случае ошибки возвращается положительное значение (а не отрицательное, как в большинстве системных вызовов и функций!), которое определяет код ошибки, описанный в файле <errno.h>. Значение системной переменной errno при этом не устанавливается.

Мы не будем рассматривать ее в полном объеме, так как детальное изучение программирования с использованием thread 'ов не является целью данного курса.

Важным отличием этой функции от большинства других системных вызовов и функций является то, что в случае неудачного завершения она возвращает не отрицательное, а положительное значение, которое определяет код ошибки, описанный в файле <errno.h>. Значение системной переменной errno при этом не устанавливается. Результатом выполнения этой функции является появление в системе новой нити исполнения, которая будет выполнять функцию, ассоциированную со thread 'ом, передав ей специфицированный параметр, параллельно с уже существовавшими нитями исполнения процесса.

Созданный thread может завершить свою деятельность тремя способами:

· С помощью выполнения функции pthread_exit(). Функция никогда не возвращается в вызвавшую ее нить исполнения. Объект, на который указывает параметр этой функции, может быть изучен в другой нити исполнения, например, в породившей завершившийся thread. Этот параметр, следовательно, должен указывать на объект, не являющийся локальным для завершившегося thread'а, например, на статическую переменную;

· С помощью возврата из функции, ассоциированной с нитью исполнения. Объект, на который указывает адрес, возвращаемый функцией, как и в предыдущем случае, может быть изучен в другой нити исполнения, например, в породившей завершившийся thread, и должен указывать на объект, не являющийся локальным для завершившегося thread'а;

· Если в процессе выполняется возврат из функции main() или где-либо в процессе (в любой нити исполнения) осуществляется вызов функции exit(), это приводит к завершению всех thread'ов процесса.

Функция для завершения нити исполнения Прототип функции #include <pthread.h> void pthread_exit(void *status); Описание функции Функция pthread_exit служит для завершения нити исполнения (thread) текущего процесса. Функция никогда не возвращается в вызвавший ее thread. Объект, на который указывает параметр status, может быть впоследствии изучен в другой нити исполнения, например в нити, породившей завершившуюся нить. Поэтому он не должен указывать на динамический объект завершившегося thread'а.

Одним из вариантов получения адреса, возвращаемого завершившимся thread'ом, с одновременным ожиданием его завершения является использование функции pthread_join(). Нить исполнения, вызвавшая эту функцию, переходит в состояние ожидание до завершения заданного thread 'а. Функция позволяет также получить указатель, который вернул завершившийся thread в операционную систему.

Функция pthread_join() Прототип функции #include <pthread.h> int pthread_join (pthread_t thread, void **status_addr); Описание функции Функция pthread_join блокирует работу вызвавшей ее нити исполнения до завершения thread'а с идентификатором thread. После разблокирования в указатель, расположенный по адресу status_addr, заносится адрес, который вернул завершившийся thread либо при выходе из ассоциированной с ним функции, либо при выполнении функции pthread_exit(). Если нас не интересует, что вернула нам нить исполнения, в качестве этого параметра можно использовать значение NULL. Возвращаемые значения Функция возвращает значение 0 при успешном завершении. В случае ошибки возвращается положительное значение (а не отрицательное, как в большинстве системных вызовов и функций!), которое определяет код ошибки, описанный в файле <errno.h>. Значение системной переменной errno при этом не устанавливается.

Преимущества и недостатки потокового обмена данными.

На предыдущем семинаре мы познакомились с механизмами, обеспечивающими потоковую передачу данных между процессами в операционной системе UNIX, а именно с pip 'ами и FIFO. Потоковые механизмы достаточно просты в реализации и удобны для использования, но имеют ряд существенных недостатков:

· Операции чтения и записи не анализируют содержимое передаваемых данных. Процесс, прочитавший 20 байт из потока, не может сказать, были ли они записаны одним процессом или несколькими, записывались ли они за один раз или было, например, выполнено 4 операции записи по 5 байт. Данные в потоке никак не интерпретируются системой. Если требуется какая-либо интерпретация данных, то передающий и принимающий процессы должны заранее согласовать свои действия и уметь осуществлять ее самостоятельно.

· Для передачи информации от одного процесса к другому требуется, как минимум, две операции копирования данных: первый раз – из адресного пространства передающего процесса в системный буфер, второй раз – из системного буфера в адресное пространство принимающего процесса.

· Процессы, обменивающиеся информацией, должны одновременно существовать в вычислительной системе. Нельзя записать информацию в поток с помощью одного процесса, завершить его, а затем, через некоторое время, запустить другой процесс и прочитать записанную информацию.

Понятие о System V IPC

Указанные выше недостатки потоков данных привели к разработке других механизмов передачи информации между процессами. Часть этих механизмов, впервые появившихся в UNIX System V и впоследствии перекочевавших оттуда практически во все современные версии операционной системы UNIX, получила общее название System V IPC (IPC – сокращение от interprocess communications). В группу System V IPC входят: очереди сообщений, разделяемая память и семафоры. Эти средства организации взаимодействия процессов связаны не только общностью происхождения, но и обладают схожим интерфейсом для выполнения подобных операций, например, для выделения и освобождения соответствующего ресурса в системе. Мы будем рассматривать их в порядке от менее семантически нагруженных с точки зрения операционной системы к более семантически нагруженным. Иными словами, чем позже мы начнем заниматься каким-либо механизмом из System V IPC, тем больше действий по интерпретации передаваемой информации придется выполнять операционной системе при использовании этого механизма. Часть этого семинара мы посвятим изучению разделяемой памяти. Семафоры будут рассматриваться на семинаре 8, а очереди сообщений – на семинаре 9.