Основные функции и компоненты ядра ОС UNIX (стр. 11 из 13)

Семафоры

Механизм семафоров, реализованный в ОС UNIX, является обобщением классического механизма семафоров общего вида, предложенного более 25 лет тому назад известным голландским специалистом профессором Дейкстрой. Заметим, что целесообразность введения такого обобщения достаточно сомнительна. Обычно наоборот использовался облегченный вариант семафоров Дейкстры - так называемые двоичные семафоры. Мы не будем здесь углубляться в общую теорию синхронизации на основе семафоров, но заметим, что достаточность в общем случае двоичных семафоров доказана (известен алгоритм реализации семафоров общего вида на основе двоичных). Конечно, аналогичные рассуждения можно было бы применить и к варианту семафоров, примененному в ОС UNIX.

Семафор в ОС UNIX состоит из следующих элементов:

• значение семафора;
• идентификатор процесса, который хронологически последним работал с семафором;
• число процессов, ожидающих увеличения значения семафора;
• число процессов, ожидающих нулевого значения семафора.

Для работы с семафорами поддерживаются три системных вызова:

• semget для создания и получения доступа к набору семафоров;
• semop для манипулирования значениями семафоров (это именно тот системный вызов, который позволяет процессам синхронизоваться на основе использования семафоров);
• semctl для выполнения разнообразных управляющих операций над набором семафоров.

Системный вызов semget имеет следующий синтаксис:

id = semget(key, count, flag);

где прямые параметры key и flag и возвращаемое значение системного вызова имеют тот же смысл, что для других системных вызовов семейства "get", а параметр count задает число семафоров в наборе семафоров, обладающих одним и тем же ключом. После этого индивидуальный семафор идентифицируется дескриптором набора семафоров и номером семафора в этом наборе. Если к моменту выполнения системного вызова semget набор семафоров с указанным ключом уже существует, то обращающийся процесс получит соответствующий дескриптор, но так и не узнает о реальном числе семафоров в группе (хотя позже это все-таки можно узнать с помощью системного вызова semctl).

Основным системным вызовом для манипулирования семафором является semop:

oldval = semop(id, oplist, count);

где id - это ранее полученный дескриптор группы семафоров, oplist - массив описателей операций над семафорами группы, а count - размер этого массива. Значение, возвращаемое системным вызовом, является значением последнего обработанного семафора. Каждый элемент массива oplist имеет следующую структуру:

• номер семафора в указанном наборе семафоров;
• операция;
• флаги.

Если проверка прав доступа проходит нормально, и указанные в массиве oplist номера семафоров не выходят за пределы общего размера набора семафоров, то системный вызов выполняется следующим образом. Для каждого элемента массива oplist значение соответствующего семафора изменяется в соответствии со значением поля "операция".

• Если значение поля операции положительно, то значение семафора увеличивается на единицу, а все процессы, ожидающие увеличения значения семафора, активизируются (пробуждаются в терминологии UNIX).
• Если значение поля операции равно нулю, то если значение семафора также равно нулю, выбирается следующий элемент массива oplist. Если же значение семафора отлично от нуля, то ядро увеличивает на единицу число процессов, ожидающих нулевого значения семафора, а обратившийся процесс переводится в состояние ожидания (усыпляется в терминологии UNIX).
• Наконец, если значение поля операции отрицательно, и его абсолютное значение меньше или равно значению семафора, то ядро прибавляет это отрицательное значение к значению семафора. Если в результате значение семафора стало нулевым, то ядро активизирует (пробуждает) все процессы, ожидающие нулевого значения этого семафора. Если же значение семафора меньше абсолютной величины поля операции, то ядро увеличивает на единицу число процессов, ожидающих увеличения значения семафора и откладывает (усыпляет) текущий процесс до наступления этого события.

Основным поводом для введения массовых операций над семафорами было стремление дать программистам возможность избегать тупиковых ситуаций в связи с семафорной синхронизацией. Это обеспечивается тем, что системный вызов semop, каким бы длинным он не был (по причине потенциально неограниченной длины массива oplist) выполняется как атомарная операция, т.е. во время выполнения semop ни один другой процесс не может изменить значение какого-либо семафора.

Наконец, среди флагов-параметров системного вызова semop может содержаться флаг с символическим именем IPC_NOWAIT, наличие которого заставляет ядро ОС UNIX не блокировать текущий процесс, а лишь сообщать в ответных параметрах о возникновении ситуации, приведшей бы к блокированию процесса при отсутствии флага IPC_NOWAIT. Мы не будем обсуждать здесь возможности корректного завершения работы с семафорами при незапланированном завершении процесса; заметим только, что такие возможности обеспечиваются.

Системный вызов semctl имеет формат

semctl(id, number, cmd, arg);

где id - это дескриптор группы семафоров, number - номер семафора в группе, cmd - код операции, а arg - указатель на структуру, содержимое которой интерпретируется по-разному, в зависимости от операции. В частности, с помощью semctl можно уничтожить индивидуальный семафор в указанной группе. Однако детали этого системного вызова настолько громоздки, что мы рекомендуем в случае необходимости обращаться к технической документации используемого варианта операционной системы.

Очереди сообщений

Для обеспечения возможности обмена сообщениями между процессами этот механизм поддерживается следующими системными вызовами:

• msgget для образования новой очереди сообщений или получения дескриптора существующей очереди;
• msgsnd для посылки сообщения (вернее, для его постановки в указанную очередь сообщений);
• msgrcv для приема сообщения (вернее, для выборки сообщения из очереди сообщений);
• msgctl для выполнения ряда управляющих действий.

Системный вызов msgget обладает стандартным для семейства "get" системных вызовов синтаксисом:

msgqid = msgget(key, flag);

Ядро хранит сообщения в виде связного списка (очереди), а дескриптор очереди сообщений является индексом в массиве заголовков очередей сообщений. В дополнение к информации, общей для всех механизмов IPC в UNIX System V, в заголовке очереди хранятся также:

• указатели на первое и последнее сообщение в данной очереди;
• число сообщений и общее количество байтов данных во всех них вместе взятых;
• идентификаторы процессов, которые последними послали или приняли сообщение через данную очередь;
• временные метки последних выполненных операций msgsnd, msgrsv и msgctl.

Как обычно, при выполнении системного вызова msgget ядро ОС UNIX либо создает новую очередь сообщений, помещая ее заголовок в таблицу очередей сообщений и возвращая пользователю дескриптор вновь созданной очереди, либо находит элемент таблицы очередей сообщений, содержащий указанный ключ, и возвращает соответствующий дескриптор очереди. На рисунке 3.6 показаны структуры данных, используемые для организации очередей сообщений.

Рис. 3.6. Структуры данных, используемые для организации очередей сообщений

Для посылки сообщения используется системный вызов msgsnd:

msgsnd(msgqid, msg, count, flag);

где msg - это указатель на структуру, содержащую определяемый пользователем целочисленный тип сообщения и символьный массив - собственно сообщение; count задает размер сообщения в байтах, а flag определяет действия ядра при выходе за пределы допустимых размеров внутренней буферной памяти.

Для того, чтобы ядро успешно поставило указанное сообщение в указанную очередь сообщений, должны быть выполнены следующие условия: обращающийся процесс должен иметь соответствующие права по записи в данную очередь сообщений; длина сообщения не должна превосходить установленный в системе верхний предел; общая длина сообщений (включая вновь посылаемое) не должна превосходить установленный предел; указанный в сообщении тип сообщения должен быть положительным целым числом. В этом случае обратившийся процесс успешно продолжает свое выполнение, оставив отправленное сообщение в буфере очереди сообщений. Тогда ядро активизирует (пробуждает) все процессы, ожидающие поступления сообщений из данной очереди.

Если же оказывается, что новое сообщение невозможно буферизовать в ядре по причине превышения верхнего предела суммарной длины сообщений, находящихся в одной очереди сообщений, то обратившийся процесс откладывается (усыпляется) до тех пор, пока очередь сообщений не разгрузится процессами, ожидающими получения сообщений. Чтобы избежать такого откладывания, обращающийся процесс должен указать в числе параметров системного вызова msgsnd значение флага с символическим именем IPC_NOWAIT (как в случае использования семафоров), чтобы ядро выдало свидетельствующий об ошибке код возврата системного вызова mgdsng в случае невозможности включить сообщение в указанную очередь.

Для приема сообщения используется системный вызов msgrcv:

count = msgrcv(id, msg, maxcount, type, flag);

Здесь msg - это указатель на структуру данных в адресном пространстве пользователя, предназначенную для размещения принятого сообщения; maxcount задает размер области данных (массива байтов) в структуре msg; значение type специфицирует тип сообщения, которое желательно принять; значение параметра flag указывает ядру, что следует предпринять, если в указанной очереди сообщений отсутствует сообщение с указанным типом. Возвращаемое значение системного вызова задает реальное число байтов, переданных пользователю.