Средства межпроцессного взаимодействия в реальном времени
Разделяемые сегменты памяти
Разделяемые сегменты памяти, называемые далее объектами в разделяемой памяти, - самый эффективный способ передачи данных между процессами. Одной операцией записи можно передать данные сразу многим процессам, разделяющим тот же объект.
Объекты в разделяемой памяти полезны как для систем, поддерживающих виртуальную память и раздельные адресные пространства для процессов, так и для встроенных систем с минимальной аппаратной поддержкой.
Минимальный мобильный программный интерфейс к объектам в разделяемой памяти включает функции открытия (возможно, с созданием) подобного объекта и получения его дескриптора, а также удаления ранее созданного объекта.
Стандартный программный интерфейс состоит из двух функций: shm_open() и shm_unlink() (см. листинг 4.19).
#include <sys/mman.h> int shm_open (const char *name, int oflag, mode_t mode); int shm_unlink (const char *name);Листинг 4.20. Описание функций shm_open() и shm_unlink().
При открытии с помощью функции shm_open() возвращается файловый дескриптор. Имя (аргумент name ) трактуется стандартным для рассматриваемых средств межпроцессного взаимодействия образом. Посредством аргумента oflag могут указываться флаги O_RDONLY, O_RDWR, O_CREAT, O_EXCL и/или O_TRUNC. Если объект создается, то режим доступа к нему формируется в соответствии со значением аргумента mode и маской создания файлов процесса.
После создания объект в разделяемой памяти существует, пока не будет удален функцией shm_unlink(). Он сохраняет свое состояние после закрытия всех ссылающихся на него дескрипторов, однако эффект от перезагрузки системы стандарт POSIX-2001 не специфицирует.
Представляется естественным, что способ доступа к объектам определяется типом дескриптора, возвращаемого при их открытии. Если это адрес, то доступ сводится к операциям чтения/записи из/в память. Если это файловый дескриптор, то для доступа должны использоваться функции файлового ввода/вывода - read(), write() и т.п. Подобное естественное применение объектов в разделяемой памяти иллюстрируется двухпроцессной программой, копирующей строки со стандартного ввода на стандартный вывод (см. листинги 4.21, 4.22, 4.23). Предполагается, что заголовочный файл называется "g_shm.h", а файл с образом процесса, запускаемого посредством execl(), - "g_r_shm".
#ifndef g_SHM #define g_SHM /* Имя объекта в разделяемой памяти */ #define O_SHM_NAME "/g_o.shm" /* Используемый номер сигнала реального времени */ #define SIG_SHM SIGRTMIN /* Используемые значения сигнала реального времени */ #define SIGVAL_LINE 0 #define SIGVAL_EOF EOF #endifЛистинг 4.21. Заголовочный файл "g_shm.h" программы, копирующей строки со стандартного ввода на стандартный вывод.
/* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* Программа, состоящая из двух процессов, копирует */ /* строки со стандартного ввода на стандартный вывод,*/ /* "прокачивая" их через разделяемый сегмент памяти. */ /* Для синхронизации доступа к разделяемому сегменту */ /* используются сигналы реального времени */ /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <signal.h> #include <sys/mman.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/wait.h> #include <assert.h> #include "g_shm.h" /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* Создание разделяемого сегмента памяти, */ /* чтение со стандартного ввода и запись строк в сегмент*/ /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ int main (void) { int fd_shm; /* Дескриптор объекта в разделяемой памяти*/ FILE *fp; /* Поток для записи в объект */ char line [LINE_MAX]; /* Буфер для копируемых строк */ struct sigaction sact; /* Структура для обработки сигналов */ union sigval sg_val;/* Значение сигнала */ int sg_no; /* Номер принятого сигнала */ pid_t cpid;/* Идентификатор порожденного процесса */ /* Создадим разделяемый сегмент памяти */ if ((fd_shm = shm_open (O_SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0777)) < 0) { perror ("SHM_CREAT"); return (1); } /* Сформируем поток данных по файловому дескриптору */ /* объекта в разделяемой памяти */ assert ((fp = fdopen (fd_shm, "w")) != NULL); /* Отменим буферизацию вывода */ setbuf (fp, NULL); /* Сформируем маску сигналов (блокируем SIG_SHM) */ (void) sigemptyset (&sact.sa_mask); (void) sigaddset (&sact.sa_mask, SIG_SHM); (void) sigprocmask (SIG_BLOCK, &sact.sa_mask, (sigset_t *) NULL); /* Установим для сигнала SIG_SHM флаг SA_SIGINFO */ sact.sa_flags = SA_SIGINFO; sact.sa_sigaction = (void (*) (int, siginfo_t *, void *)) SIG_DFL; (void) sigaction (SIG_SHM, &sact, (struct sigaction *) NULL); /* Подготовительная работа закончена */ switch (cpid = fork ()) { case -1: perror ("FORK"); return (2); case 0: /* Чтение из объекта и выдачу на стандартный */ /* вывод реализуем в порожденном процессе */ if (execl ("./g_r_shm", "g_r_shm", (char *) NULL) < 0) { perror ("EXECL"); return (3); } } /* Чтение со стандартного ввода и запись в объект */ /* возложим на родительский процесс.*/ /* В начальный момент объект в разделяемой памяти*/ /* доступен для записи */ assert (fseek (fp, 0, SEEK_SET) == 0); fputs ("Вводите строки\n", fp); /* Сообщим порожденному процессу,*/ /* что объект в разделяемой памяти заполнен*/ sg_val.sival_int = SIGVAL_LINE; assert (sigqueue (cpid, SIG_SHM, sg_val) == 0); while (fgets (line, sizeof (line), stdin) != NULL) { assert (fseek (fp, 0, SEEK_SET) == 0); /* Дождемся, когда в объект можно будет писать */ if ((sigwait (&sact.sa_mask, &sg_no) != 0) || (sg_no != SIG_SHM)) { return (4); } assert (fputs ("Вы ввели: ", fp) != EOF); assert (fputs (line, fp) != EOF); assert (sigqueue (cpid, SIG_SHM, sg_val) == 0); } /* Сообщим о конце файла */ sg_val.sival_int = SIGVAL_EOF; assert (sigqueue (cpid, SIG_SHM, sg_val) == 0); fclose (fp); (void) wait (NULL); if (shm_unlink (O_SHM_NAME) != 0) { perror ("SHM_UNLINK"); return (7); } return (0); }Листинг 4.22. Исходный текст начального процесса двухпроцессной программы, копирующей строки со стандартного ввода на стандартный вывод.
/* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* Процесс читает строки из объекта в разделяемой памяти */ /* и копирует их на стандартный вывод */ /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <signal.h> #include <sys/mman.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <assert.h> #include "g_shm.h" /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* Открытие разделяемого сегмента памяти,*/ /* чтение из сегмента и выдача строк */ /* на стандартный вывод */ /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ int main (void) { int fd_shm; /* Дескриптор объекта */ /* в разделяемой памяти */ FILE *fp; /* Поток для чтения из объекта */ char line [LINE_MAX];/* Буфер для копируемых строк */ sigset_t smask; /* Маска ожидаемых сигналов */ siginfo_t sinfo; /* Структура для получения */ /* данных о сигнале */ pid_t ppid; /* Идентификатор родительского */ /* процесса */ /* Откроем разделяемый сегмент памяти */ if ((fd_shm = shm_open (O_SHM_NAME, O_RDONLY, 0777)) < 0) { perror ("SHM_OPEN"); return (1); } /* Сформируем поток по файловому дескриптору объекта */ /* в разделяемой памяти */ assert ((fp = fdopen (fd_shm, "r")) != NULL); /* Отменим буферизацию ввода */ setbuf (fp, NULL); /* Запомним идентификатор родительского процесса */ ppid = getppid (); /* Сформируем маску ожидаемых сигналов (SIG_SHM) */ (void) sigemptyset (&smask); (void) sigaddset (&smask, SIG_SHM); /* Подготовительная работа закончена */ while ((fseek (fp, 0, SEEK_SET) == 0) && /* Дождемся, когда из объекта можно будет читать */ (sigwaitinfo (&smask, &sinfo) == SIG_SHM) && /* И прочитаем строку, а не конец файла */ (sinfo.si_value.sival_int == SIGVAL_LINE)) { (void) fgets (line, sizeof (line), fp); /* Сообщим родительскому процессу, */ /* что данные из объекта извлечены */ assert (kill (ppid, SIG_SHM) == 0); /* Выдадим, наконец, строку на стандартный вывод */ assert (fputs (line, stdout) != EOF); } fclose (fp); return 0; }Листинг 4.23. Исходный текст порождаемого процесса (файл g_r_shm.c) двухпроцессной программы, копирующей строки со стандартного ввода на стандартный вывод.
Объект в разделяемой памяти используется в приведенной программе как буфер на один элемент (одну строку). Чтение и запись производятся с начала объекта, для чего применяется файловое позиционирование. Разумеется, в такой ситуации порожденный процесс не может обычным образом обнаружить конец передаваемого ему файла, поэтому приходится применять дополнительные средства. В данном случае это сигналы реального времени, которые несут двойную нагрузку - обеспечивают синхронизацию доступа к объекту в разделяемой памяти и передают от родительского процесса порожденному информацию о конце файла.
К сожалению, стандарт POSIX-2001 не следует приведенным выше естественным предположениям, касающимся связи между типом дескриптора и способом доступа к объекту, так что приведенная программа, строго говоря, не соответствует стандарту. Дело в том, что файловый дескриптор, возвращаемый функцией shm_open(), является дескриптором "второго сорта" (хотя и первой свежести): результат применения к нему функций fdopen(), read(), write() и т.п. не специфицирован.
Далее мы увидим, для чего этот дескриптор можно употребить и как организовать межпроцессное взаимодействие через разделяемые сегменты памяти реального времени в полном соответствии с положениями стандарта POSIX-2001. Здесь же отметим, что в большинстве реализаций для представления разделяемых сегментов применяются файлы, отображенные в память, так что их дескрипторы вполне пригодны для выполнения файловых операций, а мобильность приведенной программы с практической точки зрения можно считать удовлетворительной.