Sop_10_lab.pdf

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 10.

[ilość modułów: 1]

Temat zajęć: Mechanizmy IPC: kolejki komunikatów.

Tworzenie kolejek komunikatów, wysyłanie i odbieranie

komunikatów, parametry i usuwanie kolejek komunikatów, obsługa

mechanizmów IPC w konsoli systemu, implementacja

przykładowych programów obsługi kolejek komunikatów

I. Mechanizmy IPC

Podobnie jak łącza, mechanizmy IPC (Inter Process Communication) jest grupą mechanizmów

komunikacji i synchronizacji procesów działających w ramach tego samego systemu operacyjnego.

Mechanizmy IPC obejmują:

• kolejki komunikatów — umożliwiają przekazywanie określonych porcji danych,

• pamięć współdzieloną — umożliwiają współdzielenie kilku procesom tego samego

fragmentu wirtualnej przestrzeni adresowej,

• semafory — umożliwiają synchronizacje procesów w dostępie do współdzielonych zasobów

(np. do pamięci współdzielonej)

Do tworzenia obiektów IPC i manipulowania ich danymi służy zbiór funkcji przedstawiony w

poniższej tabelce:

działanie

kolejka

komunikatów

pamięć

współdzielona

semafor

Rezerwowanie obiektu IPC, uzyskiwanie do

niego dostępu

msgget

shmget

semget

Sterowanie obiektem IPC, uzyskiwanie

informacji o stanie modyfikowanych obiektów

IPC, usuwanie obiektów IPC

msgctl

shmctl

semctl

Operacje na obiektach IPC: wysyłanie i

odbieranie komunikatów, operacje na

semaforach, rezerwowanie i zwalnianie

segmentów pamięci wspólnej

msgsnd, msgrcv shmat, shmdt

semop

Wywołania systemowe get ( msgget , shmget , semget ) są stosowane do tworzenia nowych obiektów

IPC, lub do uzyskania dostępu do obiektów istniejących. Drugim wywołaniem systemowym

wspólnym dla mechanizmów IPC jest clt ( msgctl , shmctl , semctl ), używane w celu

przeprowadzenia operacji kontrolnych na obiektach IPC.

Funkcje get zwracają wartości całkowitoliczbowe, nazywane identyfikatorami IPC, które

identyfikują obiekty IPC. Od strony systemu operacyjnego identyfikator IPC jest indeksem w

systemowej tablicy zawierającej struktury z danymi dotyczącymi uprawnień do obiektów IPC.

Struktura IPC jest zdefiniowana w pliku sys/ipc.h .

Każda z funkcji get wymaga określenia argumentu typu key_t (będącego ekwiwalentem typu

long ), nazywanego kluczem i umożliwiającego generowanie identyfikatorów IPC. Procesy, poprzez

podanie tej samej wartości klucza uzyskują dostęp do konkretnego mechanizmu IPC. Wartość klucza

można określić podając samodzielnie konkretną wartość. Polu temu można także przypisać stałą

IPC_PRIVATE , która spowoduje utworzenie obiektu IPC o niepowtarzalnej wartości identyfikatora.

Jednak łącze identyfikowane przez klucz wygenerowany w oparciu o stałą IPC_PRIVATE pozwala

na komunikację jedynie pomiędzy procesami spokrewnionymi (ponieważ procesy potomne

dziedziczą wartość klucza od swoich przodków)

str. nr 1 /8

Czas realizacji zajęć: 90 min.

Zakres materiału, jaki zostanie

zrealizowany podczas zajęć:

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 10.

[ilość modułów: 1]

Drugim parametrem wspólnym dla wszystkich wywołań z rodziny get jest znacznik komunikatu,

który określa prawa dostępu do tworzonego obiektu IPC. Prawa te mogą być połączone operacją

logiczną OR (oznaczaną w języku programowania C przez |) z flagami IPC_CREAT lub

IPC_EXCL . Flaga IPC_CREAT nakazuje funkcjom get utworzenie nowego obiektu IPC, jeśli on

jeszcze nie istnieje. Jeśli natomiast obiekt IPC już istnieje i jego klucz nie został wygenerowany przy

użyciu stałej IPC_PRIVATE , to funkcje get zwrócą identyfikator tego obiektu. Natomiast użycie

flag IPC_CREAT|IPC_EXCL spowoduje, że gdy obiekt IPC dla danej wartości klucza już istnieje,

wywołanie funkcji get zakończy się błędem. Dzięki połączeniu tych dwóch flag użytkownik posiada

gwarancję, że jest on twórcą danego obiektu IPC.

Wywołania funkcji ctl posiadają dwa argumenty wspólne: identyfikator obiektu IPC

(otrzymany w wyniku wywołania odpowiedniej funkcji get ), oraz następujące stałe: IPC_STAT ,

IPC_SET i IPC_RMID , zdefiniowane w pliku sys/ipc.h:

• IPC_STAT — zwraca informację o stanie danego obiektu IPC

• IPC_SET — zmienia właćiciela, grupę i tryb obiektu IPC

• IPC_RMID — usuwa obiekt IPC z systemu

II. Obsługa mechanizmów IPC w konsoli systemu

Na poziomie systemowym dane znajdujące się w obiekcie IPC pobiera się za pomocą polecenia

ipcs . Informacje na temat konkretnych obiektów: kolejek komunikatów, pamięci współdzielonej i

semaforów otrzymamy stosując odpowiednio przełączniki -q , -m , -s . Czyli:

ipcs -q msgid – informacja nt. kolejki komunikatów o identyfikatorze msgid

ipcs -m shmid – informacja nt. segmentu pamięci współdzielonej o identyfikatorze shmid

ipcs -s semid – informacja nt. zestawu semaforów o identyfikatorze semid

Dodatkowo przełącznik -b pozwala uzyskać informację nt. maksymalnego rozmiaru obiektów IPC,

czyli ilości bajtów w kolejkach, rozmiarów segmentów pamięci współdzielonej i ilości semaforów w

zestawach.

Usunięcie obiektu IPC można natomiast wykonując polecenie systemowe ipcrm :

ipcrm -q msgid – usunięcie kolejki komunikatów o identyfikatorze msgid

ipcrm -m shmid – usunięcie segmentu pamięci współdzielonej o identyfikatorze shmid

ipcrm -s semid – usunięcie zestawu semaforów o identyfikatorze semid

III. Kolejki komunikatów, funkcje systemowe obsługujące kolejki komunikatów i

ich argumenty.

Kolejki komunikatów umożliwiają przesyłanie pakietów danych, nazywanych komunikatami,

pomiędzy różnymi procesami. Sam komunikat jest zbudowany jako struktura msgbuf , jego definicja

znajduje się w pliku <sys/msg.h>:

struct msgbuf{

long mtype; //typ komunikatu (>0)

char mtext[1]; //treść komunikatu

}

Każdy komunikat ma określony typ i długość. Typ komunikatu, pozwalający określić rodzaj

komunikatu, nadaje proces inicjujący komunikat.

Komunikaty są umieszczane w kolejce w kolejności ich ich wysyłania. Nadawca może

wysyłać komunikaty, nawet wówczas gdy żaden z potencjalnych odbiorców nie jest gotów do ich

odbioru. Komunikaty są w takich przypadkach buforowane w kolejce oczekiwania na odebranie.

Przy odbiorze komunikatu, odbiorca może oczekiwać na pierwszy przybyły komunikat lub na

pierwszy komunikat określonego typu. Komunikaty w kolejce są przechowywane nawet po

str. nr 2 /8

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 10.

[ilość modułów: 1]

zakończeniu procesu nadawcy, tak długo, aż nie zostaną odebrane lub kolejka nie zostanie

zlikwidowana.

Podczas tworzenia kolejki komunikatów tworzona jest systemowa struktura danych o nazwie

msgid_ds . Definicję tej obsługiwanej przez system struktury można znaleźć w pliku

nagłówkowym <sys/msg.h> .

Funkcje umożliwiające komunikację za pomocą kolejek komunikatów zdefiniowane są w plikach

<sys/types.h> , <sys/ipc.h> oraz <sys/msg.h>.

● int msgget(key_t key, int msgflg)

Wartości zwracane:

poprawne wykonanie funkcji: identyfikator kolejki komunikatów

zakończenie błędne: -1

Możliwe kody błędów ( errno ) w przypadku błędnego zakończenie funkcji:

EACCES – Kolejka skojarzona z key , istnieje, ale proces wywołujący funkcję nie ma

wystarczających praw dostępu do tej kolejki.

EEXIST – Kolejka skojarzona z wartością key istnieje a msgflg zawiera jednocześnie oba znaczniki

IPC_CREAT i IPC_EXCL.

EIDRM – Kolejka została przeznaczona do usunięcia.

ENOENT – Kolejka skojarzona z wartością key nie istnieje, zaś msgflg nie zawiera flagi

IPC_CREAT.

ENOMEM – Kolejka komunikatów powinna zostać utworzona, ale w systemie brak jest pamięci na

utworzenie nowej struktury danych.

ENOSPC – Kolejka komunikatów powinna zostać utworzona, ale przekroczone zostałoby

systemowe ograniczenie (MSGMNI) na ilość istniejących kolejek komunikatów.

Argumenty funkcji:

key – liczba, która identyfikuje kolejkę

msgflg – sumą bitowa stałej IPC_CREAT i dziewięciu bitów określających prawa dostępu do

kolejki.

UWAGI:

IPC_PRIVATE nie jest flagą tylko szczególną wartością key_t . Jeśli wartość ta zostanie użyta jako

wartość klucza, to system uwzględni jedynie bity uprawnień parametru msgflg i zawsze będzie

próbować utworzyć nową kolejkę.

Istnienie flag IPC_CREAT i IPC_EXCL w parametrze msgflg znaczy tyle samo w przypadku

kolejki komunikatów, co istnienie flag O_CREAT i O_EXCL w argumencie mode wywołania open ,

tzn. funkcja msgget nie wykona się prawidłowo jeśli msgflg będzie zawierać flagi IPC_CREAT i

IPC_EXCL , zaś kolejka komunikatów skojarzona z kluczem key już będzie istnieć.

● int msgsnd(int msgid, struct msgbuf *msgp, int msgs, int msgflg)

Wartości zwracane:

poprawne wykonanie funkcji: 0

zakończenie błędne: -1

Możliwe kody błędów ( errno ) w przypadku błędnego zakończenie funkcji:

EACCES – kolejka skojarzona z wartością key , istnieje, ale proces wołający funkcję nie ma

wystarczających praw dostępu do kolejki

EAGAIN – kolejka jest pełna, a flaga IPC_NOWAIT była ustawiona

EFAULT – niepoprawny wskaźnik msgq

str. nr 3 /8

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 10.

[ilość modułów: 1]

EIDRM – kolejka została przeznaczona do usunięcia

EINTR – otrzymano sygnał podczas oczekiwania na operację zapisu

EINVAL – niepoprawny identyfikator kolejki, lub ujemny typ wiadomości, lub nieprawidłowy

rozmiar wiadomości

Argumenty funkcji:

msgid – identyfikator kolejki komuniktów

msgp – wskaźnik na komunikat do wysłania

msgs – rozmiar właściwej treści komunikatu (w bajtach)

msgflg – flagi specyfikujące zachowanie się funkcji w warunkach nietypowych. Wartość ta może być

ustawiona na 0 lub IPC_NOWAIT

UWAGI:

Jeśli w momencie wysyłania komunikatu system osiągnął już limit długości kolejki, to w zależności

of wartości flagi msgflg funkcja nie wyśle komunikatu i powróci z funkcji msgsnd (dla msgflg =

IPC_NOWAIT), lub zablokuje proces wywołujący aż do chwili, gdy w kolejce będzie wystarczająco

dużo wolnego miejsca, by żądany komunikat mógł być wysłany (przy msgflg =0).

Treść wysyłanego komunikatu w rzeczywistości może mieć dowolną strukturę. Struktura ta, zanim

zostanie wysłana, musi być wcześniej zarezerwowane miejsce w pamięci.

Pole mtype określa typ komunikatu, dzięki czemu możliwe jest przy odbiorze wybieranie z kolejki

komunikatów określonego rodzaju. Typ komunikatu musi być wartością większą od 0.

Funkcja MSGRCV

● int msgrcv (int msgid, struct msgbuf *msgp, int msgs, long msgtyp,

int msgflg)

Wartości zwracane:

poprawne wykonanie funkcji: ilość odebranych bajtów

zakończenie błędne: -1

Możliwe kody błędów ( errno ) w przypadku błędnego zakończenie funkcji – analogicznie do funkcji

msgsnd

Argumenty funkcji:

msgid – identyfikator kolejki komunikatów

msgp – wskaźnik do obszaru pamięci w którym ma zostać umieszczony pobrany komunikat

msgs – rozmiar właściwej treści komunikatu

msgtyp – określa typ komunikatu który ma być odebrany z kolejki. Możliwe są nastepujące wartości

zmiennej msgtyp :

• msgtyp > 0 – pobierany jest pierwszy komunikat typu msgtyp

• msgtyp < 0 – pobierany jest pierwszy komunikat którgo wartość typu jest mniejsza lub

równa wartości msgtyp

• msgtyp = 0 – typ komunikatu nie jest brany, tzn. funkcja pobiera pierwszy komunikat

dowolnego typu

msgflg – flaga specyfikujące zachowanie się funkcji w warunkach nietypowych. Wartość ta może

być ustawiona na 0, IPC_NOWAIT lub MSG_NOERROR

UWAGI:

Odebranie komunikatu oznacza pobranie go z kolejki, czyli raz odebrany komunikat nie może zostać

odebrany ponownie. Argument msgflg określa czynność, która jest wykonywana, gdy żądanego

komunikatu nie ma w kolejce, lub miejsce przygotowane do odebrania komunikatu jest

str. nr 4 /8

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 10.

[ilość modułów: 1]

niewystarczające. Gdy wartością msgflg jest IPC_NOWAIT, funkcja przy żądaniu odbioru

komunikatu, którego nie ma w kolejce nie będzie blokowała wywołującego ją procesu. Z kolei flaga

MSG_NOERROR powoduje odpowiednie obcinanie rozmiaru komunikatu za dużego, by go

odebrać. W przypadku, gdy flaga MSG_NOERROR nie jest ustawiona i otrzymany jest za długi

komunikat, to funkcja zakończy się błędem. Gdy nie ma znaczenia fakt, czy komunikaty mają byc

obcinane czy nie, flagę msgflg należy ustawić na 0.

● int msgctl(int msgid, int cmd, struct msgid_ds. *buf)

Wartości zwracane:

poprawne wykonanie funkcji: 0

zakończenie błędne: -1

Możliwe kody błędów ( errno ) w przypadku błędnego zakończenie funkcji:

EACCES – nie ma praw do odczytu oraz cmd jest ustawiona na IPC_STAT

EFAULT – adres wskazywany przez buf jest nieprawidłowy

EIDRM – kolejka została usunięta

EINVAL – msgqid nieprawidłowe lub msgsz mniejsze od 0

EPERM – komendy IPC_SET lub IPC_RMID zostały wydane podczas gdy proces nie ma praw

dostępu do zapisu

Argumenty funkcji:

msgid – identyfikator kolejki

cmd – stała specyfikująca rodzaj operacji

• cmd = IPC_STAT – pozwala uzyskać informację o stanie kolejki komunikatów

• cmd = IPC_SET – pozwala zmienić związane z kolejką ograniczenia

• cmd = IPC_RMID – pozwala usunąć kolejkę z systemu

buf – wskaźnik na zmienną strukturalną przez którą przekazywane są parametry operacji

UWAGI:

Funkcja służy do zarządzania kolejką (np. usuwania kolejki, zmiany praw dostępu itp.)

IV. Przykładowe programy obsługujące kolejki komunikatów

Listingi 4.4 i 4.5 przedstawiają rozwiązanie problemu producenta i konsumenta (odpowiednio

program producenta i program konsumenta) na kolejce komunikatów. W rozwiązaniu zakłada

si ę ograniczone buforowanie, tzn. nie może być więcej nieskonsumowanych elementów, niż pewna

założona ilość (pojemność bufora). Rozwiązanie dopuszcza możliwość istnienia wielu producent

ów i wielu konsumentów.

str. nr 5 /8

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: