Уильям Стивенс - UNIX: взаимодействие процессов
Запустив эту программу на выполнение, мы увидим, что память, на которую указывает ptr, действительно используется совместно родительским и дочерним процессами. Приведем значения счетчика перед переключением процессов:
solaris % incr2 /tmp/temp.110000
child: 0 запускается дочерний процесс
child: 1
…
child: 128
child: 129
parent: 130 дочерний процесс приостанавливается, запускается родительский процесс
parent: 131
…
parent: 636
parent: 637
child: 638 родительский процесс приостанавливается, запускается дочерний процесс
child: 639
…
child: 1517
child: 1518
parent: 1519 дочерний процесс приостанавливается, запускается родительский процесс
parent: 1520
…
parent: 19999 последняя строка вывода
solaris % od –D /tmp/temp.1
0000000 0000020000
0000004
Поскольку использовалось отображение файла в память, мы можем взглянуть на его содержимое с помощью программы od и увидеть, что окончательное значение счетчика (20000) действительно было сохранено в файле.
На рис. 12.6 изображена схема, отличающаяся от рис. 12.4. Здесь используется разделяемая память и показано, что семафор также используется совместно. Семафор мы изобразили размещенным в ядре, но для семафоров Posix это не обязательно. В зависимости от реализации семафор может обладать различной живучестью, но она должна быть по крайней мере не меньше живучести ядра. Семафор может быть реализован также через отображение файла в память, что мы продемонстрировали в разделе 10.15.
Рис. 12.6. Родительский и дочерний процессы используют разделяемую память и общий семафор
Мы показали, что у родительского и дочернего процессов имеются собственные копии указателя ptr, но обе копии указывают на одну и ту же область памяти — счетчик, увеличиваемый обоими процессами.
Изменим программу в листинге 12.2 так, чтобы использовались семафоры Posix, размещаемые в памяти (вместо именованных). Разместим такой семафор в разделяемой области памяти. Новая программа приведена в листинге 12.3.
Листинг 12.3. Счетчик и семафор размещены в разделяемой памяти//shm/incr3.c
1 #include "unpipc.h"
2 struct shared {
3 sem_t mutex; /* взаимное исключение: семафор, размещаемый в памяти */
4 int count; /* и счетчик */
5 } shared;
6 int
7 main(int argc, char **argv)
8 {
9 int fd, i, nloop;
10 struct shared *ptr;
11 if (argc != 3)
12 err_quit("usage: incr3 <pathname> <#loops>");
13 nloop = atoi(argv[2]);
14 /* открываем файл, инициализируем нулем, отображаем в память */
15 fd = Open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
16 Write(fd, &shared, sizeof(struct shared));
17 ptr = Mmap(NULL, sizeof(struct shared), PROT_READ | PROT_WRITE,
18 MAP_SHARED, fd, 0);
19 Close(fd);
20 /* инициализация семафора, совместно используемого процессами */
21 Sem_init(&ptr->mutex, 1, 1);
22 setbuf(stdout, NULL); /* stdout не буферизуется */
23 if (Fork() == 0) { /* дочерний процесс */
24 for (i = 0; i < nloop; i++) {
25 Sem_wait(&ptr->mutex);
26 printf("child: %dn", ptr->count++);
27 Sem_post(&ptr->mutex);
28 }
29 exit(0);
30 }
31 /* родительский процесс */
32 for (i = 0; i < nloop; i++) {
33 Sem_wait(&ptr->mutex);
34 printf("parent: %dn", ptr->count++);
35 Sem_post(&ptr->mutex);
36 }
37 exit(0);
38 }
Определение структуры, хранящейся в разделяемой памяти2-5 Помещаем целочисленный счетчик и семафор, защищающий его, в одну структуру. Эта структура будет храниться в разделяемой памяти.
Отображаем в память14-19 Создается файл для отображения в память, который инициализируется структурой с нулевым значением обоих полей. При этом инициализируется только счетчик, поскольку семафор будет инициализирован позднее вызовом sem_init. Тем не менее проще инициализировать всю структуру нулями, чем только одно целочисленное поле.
Инициализация семафора20-21 Используем семафор, размещаемый в памяти, вместо именованного. Для его инициализации единицей вызываем sem_init. Второй аргумент должен быть ненулевым, чтобы семафор мог совместно использоваться несколькими процессами.
На рис. 12.7 изображена модификация рис. 12.6, где семафор переместился из ядра в разделяемую память.
Рис. 12.7. И семафор, и счетчик теперь хранятся в разделяемой памяти
12.4. Неименованное отображение в память в 4.4BSD
Наши примеры из листингов 12.2 и 12.3 работают отлично, но нам приходится создавать файл в файловой системе (аргумент командной строки), вызывать open, записывать нули в файл вызовом write (чтобы проинициализировать его). Если mmap используется для передачи области разделяемой памяти через fork, мы можем упростить эту схему, используя свойства реализации.
1. В версии 4.4BSD предоставляется возможность неименованного отображения в память. При этом полностью пропадает необходимость создавать или открывать файлы. Вместо этого указываются флаги MAP_SHARED | MAP_ANON и дескриптор fd = –1. Сдвиг, задаваемый аргументом offset, игнорируется. Память автоматически инициализируется нулями. Пример использования приведен в листинге 12.4.
2. В версии SVR4 имеется файл /dev/zero, который мы открываем и дескриптор которого указываем при вызове mmap. Это устройство возвращает нули при попытке считывания, а весь направляемый на него вывод сбрасывается. Пример использования приведен в листинге 12.5. (Во многих реализациях, произошедших от BSD, также поддерживается устройство /dev/zero, например в SunOS 4.1.x и BSD/OS 3.1.)
В листинге 12.4 приведена часть листинга 12.2, которая изменяется при переходе к использованию неименованного отображения в память в 4.4BSD.
Листинг 12.4. Отображение в память в 4.4BSD//shm/incr_map_anon.с
3 int
4 main(int argc, char **argv)
5 {
6 int i, nloop;
7 int *ptr;
8 sem_t *mutex;
9 if (argc != 2)
10 err_quit("usage: incr_map_anon <#loops>");
11 nloop = atoi(argv[1]);
12 /* отображение в память */
13 ptr = Mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE,
14 MAP_SHARED | MAP_ANON, –1, 0);
6-11 Автоматические переменные fd и zero больше не используются, как и аргумент командной строки, задававший имя создаваемого файла.
12-14 Файл больше не нужно открывать. Вместо этого указывается флаг MAP_ANON при вызове mmap, а пятый аргумент этой функции (дескриптор) принимает значение –1.
12.5. Отображение в память в SVR4 с помощью /dev/zero
В листинге 12.5 приведена часть новой версии программы, претерпевшая изменения по сравнению с листингом 12.2 при переходе к использованию отображения с помощью /dev/zero.
Листинг 12.5. Отображение памяти в SVR4 с помощью /dev/zero//shm/incr_dev_zero.c
3 int
4 main(int argc char **argv)
5 {
6 int fd, i, nloop;
7 int *ptr;
8 sem_t *mutex;
9 if (argc != 2)
10 err_quit("usage: incr_dev_zero <#loops>");
11 nloop = atoi(argv[1]);
12 /* открываем /dev/zero и отображаем в память */
13 fd = Open("/dev/zero", O_RDWR);
14 ptr = Mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
15 Close(fd);
6-11 Автоматическая переменная zero больше не используется, как и аргумент командной строки, задававший имя создаваемого файла.
12-15 Мы открываем файл /dev/zero и передаем его дескриптор функции mmap. Область памяти будет гарантированно проинициализирована нулями.
12.6. Обращение к объектам, отображенным в память
Когда в память отображается обычный файл, размер полученной области (второй аргумент вызова mmap), как правило, совпадает с размером файла. Например, в листинге 12.3 размер файла устанавливается равным размеру структуры shared вызовом write и это же значение размера области используется при отображении его в память. Однако эти два параметра — размер файла и размер области памяти, в которую он отображен, — могут и отличаться.
Для детального изучения особенностей функции mmap воспользуемся программой в листинге 12.6.
Листинг 12.6. Отображение файла: размер файла совпадает с размером области памяти//shra/test1.c
1 #include "unpipc.h"
2 int
3 main(int argc, char **argv)
4 {
5 int fd, i;
