Interprocess Communication
Страница 4
Функция управления массивом семафоров.
int semctl(int id, int sem_num, int cmd, union sem_buf arg);
Первый параметр - идентификатор, второй - номер семафора в массиве, с которым мы будем выполнять команду cmd из третьего параметра. Последний параметр - некоторое объединение типа sembuf.
Команды могут быть традиционные (IPC_RMID), и кроме них есть другие команды, и среди них IPC_SET, которая устанавливает значение семафора, при этом значение передается через объединение arg. При установке семафора этой функцией, задержек, которые определяют основной смысл работы семафора, не будет.
Вот те функции, которые предназначены для работы с семафорами. Пример работы с семафорами рассмотрим на следующей лекции.
Лекция №19
Мы остановились на средствах синхронизации доступа к разделяемым ресурсам - на семафорах. Мы говорили о том, что семафоры - это тот формализм, который изначально был предложен ученым в области компьютерных наук Дейкстрой, поэтому часто в литературе их называют семафорами Дейкстры. Семафор - это есть некоторая переменная и над ней определены операции P и V. Одна позволяет увеличивать значение семафора, другая - уменьшать. Причем с этими изменениями связаны возможности блокировки процесса и разблокировки процесса. Обратим внимание, что речь идет о неразделяемых операциях, то есть тех операциях, которые не могут быть прерваны, если начались. То есть не может быть так, чтобы во время выполнения P или V пришло прерывание, и система передала управление другому процессу. Это принципиально. Поэтому семафоры можно реализовывать программно, но при этом мы должны понимать, что эта реализация не совсем корректна, так как
1) программа пишется человеком, а прерывается аппаратурой, отсюда возможно нарушение неразделяемости;
2) в развитых вычислительных системах, которые поддерживают многопроцессорную обработку или обработку разделяемых ресурсов в рамках одного процесса, предусмотрены семафорные команды, которые фактически реализовывают операции P и V. Это важно.
Мы говорили о реализации семафоров в Unix в системе IPC и о том, что эта система позволяет создать разделяемый ресурс “массив семафоров”, соответственно, как и к любому разделяемому ресурсу, к этому массиву может быть обеспечен доступ со стороны различных процессов, обладающих нужными правами и ключом к данному ресурсу.
Каждый элемент массива - семафор. Для управления работой семафора есть функции:
A. semop, которая позволяет реализовывать операции P и V над одним или несколькими семафорами;
B. segctl - управление ресурсом. Под управлением здесь понимается три вещи:
1. - получение информации о состоянии семафора;
2. - возможность создания некоторого режима работы семафора, уничтожение семафора;
3. - изменение значения семафора (под изменением значения здесь понимается установление начальных значений, чтобы использовать в дальнейшем семафоры, как семафоры, а не ящички для передачи значений, другие изменения - только с помощью semop);
Давайте приведем пример, которым попытаемся проиллюстрировать использование семафоров на практике.
Наша программа будет оперировать с разделяемой памятью.
1 процесс - создает ресурсы “разделяемая память” и “семафоры”, далее он начинает принимать строки со стандартного ввода и записывает их в разделяемую память.
2 процесс - читает строки из разделяемой памяти.
Таким образом мы имеем критический участок в момент, когда один процесс еще не дописал строку, а другой ее уже читает. Поэтому следует установить некоторые синхронизации и задержки.
Следует отметить, что, как и все программы, которые мы приводим, эта программа не совершенна. Но не потому, что мы не можем ее написать (в крайнем случае можно попросить своих аспирантов или студентов), а потому, что совершенная программа будет занимать слишком много места, и мы сознательно делаем некоторые упрощения. Об этих упрощениях мы постараемся упоминать.
1й процесс:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main(void)
{ key_t key;
int semid, shmid;
struct sembuf sops;
char *shmaddr;
char str[256];
key = ftok(“/usr/mash/exmpl”,’S’); /* создаем уникальный ключ */
semid = semget(key,1,0666 | IPC_CREAT); /* создаем один семафор с определенными правами доступа */
shmid = shmget(key,256, 0666 | IPC_CREAT); /*создаем разделяемую память на 256 элементов */
shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0); /* подключаемся к разделу памяти, в shaddr - указатель на буфер с разделяемой памятью*/
semctl(semid,0,IPC_SET, (union semun) 0); /*инициализируем семафор со значением 0 */
sops.sem_num = 0; sops.sem_flg = 0;
/* запуск бесконечного цикла */
while(1) { printf(“Введите строку:”);
if ((str = gets(str)) == NULL) break;
sops.sem_op=0; /* ожидание обнуления семафора */
semop(semid, &sops, 1);
strcpy(shmaddr, str); /* копируем строку в разд. память */
sops.sem_op=3; /* увеличение семафора на 3 */
semop(semid, &sops, 1);
}
shmaddr[0]=’Q’; /* укажем 2ому процессу на то, */
sops.sem_op=3; /* что пора завершаться */
semop(semid, &sops, 1);
sops.sem_op = 0; /* ждем, пока обнулится семафор */
semop(semid, &sops, 1);
shmdt(shmaddr); /* отключаемся от разд. памяти */
semctl(semid, 0, IPC_RMID, (union semun) 0); /* убиваем семафор */
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); /* уничтожаем разделяемую память */
exit(0);
}
2й процесс:
/* здесь нам надо корректно определить существование ресурса, если он есть - подключиться, если нет - сделать что-то еще, но как раз этого мы делать не будем */
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main(void)
{ key_t key; int semid;
struct sembuf sops;
char *shmaddr;
char st=0;
/* далее аналогично предыдущему процессу - инициализации ресурсов */
semid = semget(key,1,0666 | IPC_CREAT);
shmid = shmget(key,256, 0666 | IPC_CREAT);
shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
sops.sem_num = 0; sops.sem_flg = 0;
/* запускаем цикл */
while(st!=’Q’) {
printf(“Ждем открытия семафора
”);
/* ожидание положительного значения семафора */
sops.sem_op=-2;
semop(semid, &sops, 1);
/* будем ожидать, пока “значение семафора”+”значение sem_op” не перевалит за 0, то есть если придет “3”, то “3-2=1” */
/* теперь значение семафора равно 1 */
st = shmaddr[0];
{ /*критическая секция - работа с разделяемой памятью - в этот момент первый процесс к разделяемой памяти доступа не имеет*/}
/*после работы - закроем семафор*/
sem.sem_op=-1;
semop(semid, &sops, 1);
/* вернувшись в начало цикла мы опять будем ждать, пока значение семафора не станет больше нуля */
}
shmdt(shmaddr); /* освобождаем разделяемую память и выходим */
exit(0);
}
Это программа, состоящая из двух процессов, синхронно работающих с разделяемой памятью. Понятно, что при наличии интереса можно работать и с сообщениями.
На этом мы заканчиваем большую и достаточно важную тему организации взаимодействия процессов в системе.
Наша самоцель - не изучение тех средств, которые предоставляет Unix, а изучение принципов, которые предоставляет система для решения тех или иных задач, так как другие ОС предоставляют аналогичные или похожие средства управления процессами.
Системы программирования.
Система программирования - это комплекс программных средств, обеспечивающих поддержку технологий проектирования, кодирования, тестирования и отладки, называется системой программирования
Этап проектирования
Было сказано, что на сегодняшний день достаточно сложно, а практически невозможно создавать программное обеспечение без этапа проектирования, такого же долгого, нудного и детального периода, который проходит во время проектирования любого технического объекта. Следует понять, что те программы, которые пишутся студентами в качестве практических и дипломных задач не являются по сути дела программами - это игрушки, так как их сложность невелика, объемы незначительны и такого рода программы можно писать слегка. Реальные же программы так не создаются, так же, как и не создаются сложные технические объекты. Никто никогда не может себе представить, чтобы какая-нибудь авиационная компания продекларировала создание нового самолета и дала команду своим заводам слепить лайнер с такими-то параметрами. Так не бывает. Каждый из элементов такого объекта, как самолет, проходит сложный этап проектирования.