DAY16 (Старые версии Машбука или нечто подобное)

4

Лекция №16

Уважаемые, давайте продолжим. Сегодня мы с Вами рассмотрим механизм синхронизации доступа к разделяемым, предлагаемый IPC, - механизм семафоров. Семафоры были предложены как механизм синхронизации доступа к разделяемым ресурсам западноевропейским ученым Дейкстрой (Дийкстра - и такой вариант его имени встречается в литературе), человеком известным в теории программирования (Кстати, именно его учения легли в основу разработок алгоритмов маршрутизации сетей). В литературе эти семафоры часто называют семафорами Дейкстры. Он предложил использовать некий формализм, суть которого заключается в том, что есть некоторая целочисленная переменная S, которая называется семафором. Над семафором определены две операции: P(S), V(S).

• действие P(S) таково: если значение семафора равно нулю, то процесс, выполняющий обращение к P(S) будет приостановлен до тех пор, пока какой-нибудь другой процесс не изменит значение семафора, если же значение семафора отлично от 0, то значение семафора будет уменьшено на единицу.

• V(S) увеличивает значение семафора на единицу;

Считается, что операции P(S) и V(S) неделимы. Это означает, что выполнение этих операций не может прерваться до их завершения. Эти операции состоят как бы из трех команд: чтение переменной S, сравнение с 0 и то или иное действие над S. Так вот эти три команды, три действия неделимы. Никакое событие не может приостановить выполнение этой цепочки действий и передать управление другому процессу. (Прослеживается некоторая аналогия с механизмом прерываний, т. е. если при выполнении команды произошло прерывание, то команда выполнятся до конца, затем происходит обработка прерывания с последующим возвратом в эту же точку программы). Две операции с семафором - как бы две цельные машинные команды. Эти команды должны входить в систему команд или же ОС должна уметь эмулирвать их.

Частным случаем продекларированного семафора является двоичный семафор, максимальное значение которого равно единичке. Если S=1, то это означает, что ни один из процессов (связанных с этим семафором) не находится в критическом участке. При S=0 один из процессов находится в критическом участке {вот-вот попадет в очередь}, а другой нормально функционирует. При S=-1 один из процессов находится в критическом участке, а другой заблокирован и находится в очереди.

На самом деле двоичные семафоры наиболее часто находили применение в аппаратных реализациях, например, в многомашинных комплексах с общей оперативной памятью. Аналогичным образом можно говорить и о т. н. k-ичных семафорах.

В разных системах можно видеть различные вариации организации семафоров. Но общая идея аналогична идеи семафоров, предложенных Дейкстрой. В чем же их практический смысл? Для чего нужны семафоры? Ответ таков. Если у нас имеется разделяемый ресурс, т. е. ресурс, к которому могут иметь доступ два или более процесса, то используя операции P(S) и V(S), можно организовать синхронизированный доступ к этому разделяемому ресурсу, который основывается на том, что за счет ожидания при обращении к операции P(S) мы можем установить монопольный режим доступа процесса к разделяемому ресурсу при помощи установки нулевого значения семафора. После этого процессы, обратившиеся к этому семафору, будут заблокированы. Промежуток между началом блокировки и освобождением семафора называется критической секцией (критическим участком). В процессе работы кода гарантируется, что на этом промежутке программы никакой другой процесс не активизируется.

Одним из разделяемых ресурсов, который поддерживает система IPC, является т.н. массив семафоров. Суть механизма заключается в следующем. Имеется разделяемый с точки зрения IPC ресурс. Этот ресурс представляет собой массив элементов, где каждый элемент - семафор, несколько отличающийся от канонического определения семафора, но по сути это именно тот формализм, который предложил Дейкстра. У него есть аналогичные операции P(S) и V(S). Система позволяет процессам, участвующим во взаимодействии с данным разделяемым ресурсом, увеличивать или уменьшать один или несколько семафоров из данного массива на произвольное значение (в пределах разрядной сетки). Система обеспечивает ожидание процессами обнуления одного или нескольких семафоров.

Давайте рассмотрим средства, предоставляемые системой IPC, для создания, управления и взаимодействия с семафорами.

int semget(key_t key, int n, int flags);

int semop(int semid, struct sembuf * sops, int n);

struct sembuf{

short sem_num; // номер семафора в массиве семафоров

short sem_op; // код операции, которую надо выполнить

short sem_flg; // флаги

}

Первый параметр функции semget - ключ, второй - количество семафоров (длина массива семафоров) и третий параметр - флаги. Через флаги можно определить права доступа и те операции, которые должны выполняться (открытие семафора, проверка, и т.д.). Функция semget возвращает целочисленный идентификатор созданного разделяемого ресурса, либо -1, если ресурс не удалось создать (причина - в errno).

Первый параметр функции semop - идентификатор семафора, второй - указатель на структуру sembuf и третий параметр - количество указателей на эту структуру, которые передаются функцией semop. В структуре содержится вся информация о необходимом действии.

Поле операции интерпретируется следующим образом. Пусть значение семафора с номером sem_num равно sem_val. В этом случае, если значение операции не равно нулю, то оценивается значение суммы (sem_val + sem_op). Если эта сумма больше либо равна нулю, то значение данного семафора устанавливается равным сумме предыдущего значения и кода операции. Если эта сумма меньше нуля, то действие процесса будет приостановлено до наступления одного из следующих событий:

1. Значение суммы (sem_val + sem_op) станет больше либо равно нулю.

2. Пришел какой-то сигнал. (Значение semop в этом случае будет равно -1).

Если код операции semop равен нулю, то процесс будет ожидать обнуления семафора. Если мы обратились к функции semop с нулевым кодом операции, а к этому моменту значение семафора стало равным нулю, то никакого ожидания не происходит.

Рассмотрим третий параметр - флаги. Если третий параметр равен нулю, то это означает, что флаги не используются. Флагов имеется большое количество в т. ч. IPC_NOWAIT (при этом флаге во всех тех случаях, когда мы говорили, что процесс будет ожидать, он не будет ожидать).

Обращаю ваше внимание, что за одно обращение к функции semop можно передать n структур и соответственно выполнить действия с n семафорами из этого массива. Если в этой последовательности будут присутствовать две разные операции с одни семафором, то скорее всего, выполнится последняя.

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 sem_buf.

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. А теперь рассмотрим пример работы с семафорами, я рекомендую, чтобы каждый из вас «поиграл» с этим примером и прочувствовал суть механизма семафоров. Сразу скажу, что пример несколько обобщенный и упрощенный (совершенная программа будет занимать слишком много места, и мы сознательно делаем некоторые упрощения), и любознательные студенты имеют простор для работы:

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.

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 2-ому 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 \n”);

// 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.