Уильям Стивенс - UNIX: взаимодействие процессов

ПРИМЕЧАНИЕ

Блокировка записей в NFS была связана с проблемами в течение многих лет, и большинство проблем были следствием плохой реализации. Несмотря на тот факт, что большинство производителей Unix все-таки доделали эту реализацию, использование блокировки fcntl через NFS все еще далеко от совершенства. Не будем делать безответственных утверждений: блокировка fcntl должна работать и в NFS, но будет ли — зависит от реализации демона и сервера. 

9.10. Резюме

Блокирование записей с помощью fcntl предоставляет возможность установки рекомендательной или обязательной блокировки для файла, указываемого с помощью открытого дескриптора. Эти блокировки предназначены для сотрудничества процессов, но не отдельных потоков одного процесса. Термин «запись» используется не вполне корректно, поскольку ядро не различает отдельные записи в файле. Лучше использовать термин «блокировка диапазона», поскольку при установке блокировки или ее снятии указывается именно диапазон байтов в файле. Практически во всех случаях применения этой блокировки она является рекомендательной и используется при совместной работе сотрудничающих процессов, поскольку даже обязательная блокировка не может исключить повреждения данных.

При использовании fcntl не гарантируется, что читающие или пишущие процессы имеют приоритет при ожидании (в отличие от того, что мы реализовали в главе 8 с блокировками чтения-записи). Если это важно для приложения, придется реализовать блокировки самостоятельно (как в разделе 8.4) с тем приоритетом, который требуется.

Упражнения

1. Создайте программу locknone из листингов 9.2 и 9.1 и выполните ее много раз. Убедитесь, что программа не работает и результат непредсказуем.

2. Измените листинг 9.2 так, чтобы стандартный поток вывода не буферизовался. Как это повлияет на работу программы?

3. Продолжайте изменять программу, вызывая putchar для каждого выводимого символа (вместо printf). Как изменится результат?

4. Измените блокировку в функции my_lock из листинга 9.3 так, чтобы устанавливалась блокировка на чтение, а не на запись. Что произойдет?

5. Измените вызов open в программе loopmain.c, указав также флаг O_NONBLOCK. Создайте программу loopfcntlnonb и запустите два экземпляра. Что произойдет? 

6. Продолжите предыдущий пример, используя неблокируемую версию loopmain.с для создания программы loopnonenonb (используя файл locknone.c). Включите обязательную блокировку для файла seqno. Запустите один экземпляр этой программы и один экземпляр программы loopfcntlnonb из предыдущего примера одновременно. Что произойдет?

7. Создайте программу loopfcntl и запустите ее 10 раз в фоновом режиме из сценария интерпретатора команд. Каждому из 10 экземпляров следует указать аргумент 10000. Измерьте скорость работы сценария при использовании обязательной и рекомендательной блокировок. Как влияет обязательная блокировка на производительность?

8. Почему мы вызывали fork в листингах 9.6 и 9.7 для порождения процессов, вместо того чтобы воспользоваться pthread_create для создания потоков?

9. В листинге 9.9 мы вызываем ftruncate для установки размера файла в 0 байт. Почему бы нам просто не указать флаг O_TRUNC при открытии файла?

10. Какой из констант — SEEK_SET, SEEK_CUR или SEEK_END — следует пользоваться при указании блокируемого диапазона при написании многопоточного приложения и почему? 

ГЛАВА 10

Семафоры Posix

10.1.Введение

Семафор представляет собой простейшее средство синхронизации процессов и потоков. Мы рассматриваем три типа семафоров:

■ именованные семафоры Posix, идентифицируемые именами, соответствующими стандарту Posix для IPC (см. раздел 2.2);

■ размещаемые в разделяемой памяти семафоры Posix;

■ семафоры System V (глава 11), обслуживаемые ядром.

Все три типа семафоров могут использоваться для синхронизации как отдельных процессов, так и потоков одного процесса. Мы начнем с рассмотрения проблем синхронизации между разными процессами с помощью бинарного семафора, то есть такого, который может принимать только значения 0 и 1. Пример подобной схемы приведен на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Два процесса взаимодействуют с помощью бинарного семафора

На этом рисунке изображен бинарный семафор, хранящийся в ядре (семафор System V).

Семафоры Posix не обязательно должны обрабатываться ядром. Их особенностью является наличие имен, которые могут соответствовать именам реальных файлов в файловой системе. На рис. 10.2 изображена схема, лучше иллюстрирующая предмет обсуждения данной главы — именованный семафор Posix.

Рис. 10.2. Два процесса, использующие бинарный именованный семафор Posix

ПРИМЕЧАНИЕ

В отношении рис. 10.2 необходимо сделать одно уточнение: хотя именованные семафоры Posix обладают именами в файловой системе, они не обязательно должны храниться в файлах. Во встроенной системе реального времени значение семафора, скорее всего, будет размещаться в ядре, а имя файла будет использоваться исключительно для идентификации семафора. При реализации с помощью отображения файлов в память (пример такой реализации приведен в разделе 10.15) значение семафора будет действительно храниться в файле, который будет отображаться в адресное пространство всех процессов, использующих семафор. 

На рис. 10.1 и 10.2 мы указали три операции, которые могут быть применены к семафорам:

1. Создание семафора. При этом вызвавший процесс должен указать начальное значение (часто 1, но может быть и 0).

2. Ожидание изменения значения семафора (wait). При этом производится проверка его значения и процесс блокируется, если значение оказывается меньшим либо равным 0, а при превышении 0 значение уменьшается на 1. Это может быть записано на псевдокоде как

while (semaphore_value <= 0); /* wait: т.е. поток или процесс блокируется */

semaphore_value--; /* семафор разрешает выполнение операций */

Основным требованием является атомарность выполнения операций проверки значения в цикле while и последующего уменьшения значения семафора (то есть как одной операции) по отношению к другим потокам (это одна из причин, по которой семафоры System V были реализованы в середине 80-х как часть ядра. Поскольку операции с ними выполнялись с помощью системных вызовов, легко было гарантировать их атомарность по отношению к другим процессам).

У этой операции есть несколько общеупотребительных имен. Изначально она называлась Р, от голландского proben (проверка, попытка), — это название было введено Эдсгером Дейкстрой. Используются также и термины down (поскольку значение семафора уменьшается) и lock, но мы будем следовать стандарту Posix и говорить об ожидании (wait). 

3. Установка значения семафора (post). Значение семафора увеличивается одной командой, которая может быть записана на псевдокоде как

semaphore_value++;

Если в системе имеются процессы, ожидающие изменения значения семафора до величины, превосходящей 0, один из них может быть пробужден. Как и операция ожидания, операция установки значения семафора также должна быть атомарной по отношению к другим процессам, работающим с этим семафором.

Для этой операции также имеется несколько общеупотребительных терминов. Изначально она называлась V, от голландского verhogen (увеличивать). Называют ее up (значение семафора увеличивается), unlock и signal. Мы, следуя стандарту Posix, называем эту операцию post.

Очевидно, что реальный код для работы с семафором будет более сложным, чем приведенный выше. Все процессы, ожидающие изменения какого-либо семафора, должны помещаться в очередь, и один из них должен запускаться при выполнении требуемого условия. К счастью, это обеспечивается реализацией.

Обратите внимание, что приведенный псевдокод не ограничен в применении только бинарными семафорами. Код работает с семафором, инициализируемым любым неотрицательным значением. Такие семафоры называют также семафорами-счетчиками. Обычно они инициализируются некоторым значением N, которое указывает количество доступных ресурсов (например, буферов). В этой главе есть примеры использования как бинарных семафоров, так и семафоров-счетчиков.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мы часто проводим различие между бинарными и многозначными семафорами, но делаем это исключительно в образовательных целях. В системной реализации семафоров никакой разницы нет.

Бинарный семафор может использоваться в качестве средства исключения (подобно взаимному исключению). В листинге 10.1 приведен пример для сравнения этих средств.

инициализация взаимного исключения;  инициализация семафора единицей;