Книга: UNIX: взаимодействие процессов

12.3. Увеличение счетчика в отображаемом в память файле

12.3. Увеличение счетчика в отображаемом в память файле

Изменим программу в листинге 12.1 (которая не работала) таким образом, чтобы родительский и дочерний процессы совместно использовали область памяти, в которой хранится счетчик. Для этого используем отображение файла в память вызовами open и mmap. В листинге 12.2 приведен текст новой программы.

//shm/incr2.c
1  #include "unpipc.h"
2  #define SEM_NAME "mysem"
3  int
4  main(int argc, char **argv)
5  {
6   int fd, i, nloop, zero = 0;
7   int *ptr;
8   sem_t *mutex;
9   if (argc != 3)
10   err_quit("usage: incr2 <pathname> <#loops>");
11  nloop = atoi(argv[2]);
12  /* открываем файл, инициализируем нулем и отображаем в память */
13  fd = Open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
14  Write(fd, &zero, sizeof(int));
15  ptr = Mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
16  Close(fd);
17  /* создаем, инициализируем и отключаем семафор */
18  mutex = Sem_open(Px_ipc_name(SEM_NAME), O_CREAT | O_EXCL, FILE_MODE, 1);
19  Sem_unlink(Px_ipc_name(SEM_NAME));
20  setbuf(stdout, NULL); /* stdout не буферизуется */
21  if (Fork() == 0) { /* дочерний процесс */
22   for (i = 0; i < nloop; i++) {
23    Sem_wait(mutex);
24    printf("child: %dn", (*ptr)++);
25    Sem_post(mutex);
26   }
27   exit(0);
28  }
29  /* родительский процесс */
30  for (i = 0; i < nloop; i++) {
31   Sem_wait(mutex);
32   printf("parent: %dn", (*ptr)++);
33   Sem_post(mutex);
34  }
35  exit(0);
36 }

11-14 Из командной строки теперь считывается еще один аргумент, задающий полное имя файла, который будет отображен в память. Мы открываем файл для чтения и записи, причем если файл не существует, он будет создан, а затем инициализируем файл нулем.

15-16 Вызов mmap позволяет отобразить открытый файл в адресное пространство процесса. Первый аргумент является нулевым указателем, при этом система сама выбирает адрес начала отображаемого сегмента. Длина файла совпадает с размером целого числа. Устанавливается доступ на чтение и запись. Четвертый аргумент имеет значение MAP_SHARED, что позволяет процессам «видеть» изменения, вносимые друг другом. Функция возвращает адрес начала участка разделяемой памяти, мы сохраняем его в переменной ptr.

20-34 Мы отключаем буферизацию стандартного потока вывода и вызываем fork. И родительский, и дочерний процессы по очереди увеличивают значение целого, на которое указывает ptr.

Отображенные в память файлы обрабатываются при вызове fork специфическим образом в том смысле, что созданные родительским процессом отображения наследуются дочерним процессом. Следовательно, открыв файл и вызвав mmap с флагом MAP_SHARED, мы получили область памяти, совместно используемую родительским и дочерним процессами. Более того, поскольку эта общая область на самом деле представляет собой отображенный файл, все изменения, вносимые в нее (область памяти, на которую указывает ptr, — размером sizeof (int)), также действуют и на содержимое реального файла (имя которого было указано в командной строке).

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.

//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 } 

2-5 Помещаем целочисленный счетчик и семафор, защищающий его, в одну структуру. Эта структура будет храниться в разделяемой памяти.

14-19 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.

20-21 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

Оглавление книги