Система межпроцессного взаимодействия ipc (Inter-Process Communication)

Система IPC (известная так же, как IPC System V) позволяет обеспечивать взаимодействие произвольных процессов в пределах локальной машины. Для этого она предоставляет взаимодействующим процессам возможность использования общих, или разделяемых, ресурсов трех типов.

• Общая, или разделяемая, память, которая представляется процессу как указатель на область памяти, которая является общей для двух и более процессов. Т.е. внутри процесса некоторый указатель можно установить на начало данной области и работать далее с этой областью, как с массивом. Все изменения, которые сделает данный процесс, будут видны другим процессам. Разделяемая память IPC почти не обладает никакими средствами синхронизации (т.е. существует очень слабо развитый механизм взаимных блокировок, но мы на нем не будем останавливаться).

• Массив семафоров — ресурс, представляющий собой массив из N элементов, где N задается при создании данного ресурса, и каждый из элементов является семафором IPC (а не семафором Дейкстры: семафор Дейкстры так или иначе является формализмом, не опирающимся ни на какую реализацию, а семафор IPC — конкретной программной реализацией в ОС). Семафоры IPC предназначены, в первую очередь, для использования в качестве средств организации синхронизации.

• Очередь сообщений — это разделяемый ресурс, позволяющий организовывать очереди сообщений: один процесс может в эту очередь положить сообщение, а другой процесс — прочитать его. Данный механизм имеет возможность блокировок, поэтому его можно использовать и как средство передачи информации между взаимодействующими процессами, и как средство их синхронизации.

Для организации совместного использования разделяемых ресурсов необходим некоторый механизм именования ресурсов, используя который взаимодействующие процессы смогут работать с данным конкретным ресурсом. Для этих целей используется система ключей: при создании ресурса с ним ассоциируется ключ — целочисленное значение. Жесткого ограничения к выбору этих ключей нет. Т.е. при создании ресурса, предположим, общая память процесс-создатель ассоциирует с ним конкретный ключ — например, 25. Теперь все процессы, желающие работать с той же общей памятью, должны, во-первых, обладать соответствующими правами, а во-вторых, заявить, что они желают работать с ресурсом общая память с ключом 25. И они будут с ней работать. Но тут возможны коллизии из-за случайного совпадения ключей различных ресурсов.

Во избежание коллизий система предлагает некоторую унификацию именования IPC-ресурсов. Для генерации уникальных ключей в системе имеется библиотечная функция ftok().

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(char *filename, char proj);

Первый параметр данной функции — полное имя существующего файла. Второй параметр — это уточняющая информация (в частности, он может использоваться для поддержания разных версий программы).

Итак, функция ftok() обращается к указанному файлу, считывает его атрибуты и, используя значение второго аргумента, генерирует уникальный ключ (уникальное целое число). Стоит особо обратить внимание, что первый параметр должен указывать на существующий файл, и, что не менее важно, при генерации ключа используются его атрибуты. Это означает, что если один процесс для генерации ключа ссылается на некоторый файл, создает ресурс, потом этот файл уничтожается, создается другой файл с тем же именем (но, скорее всего, с другими атрибутами), то другой процесс, желающий получить ключ к созданному ресурсу, не сможет этого сделать, т.к. функция ftok() будет генерировать иное значение.

Каждый ресурс IPC имеет атрибут владельца. Владельцем считается тот процесс (его идентификация), который создал данный ресурс, и, соответственно, удалить данный ресурс может только владелец. Но стоит отметить, что существует механизм передачи прав владения от процесса процессу.

С каждым ресурсом, так же как и с файлами, связаны три категории прав (права владельца, группы и остальных пользователей). Но в каждой категории имеются лишь права на чтение и запись: право на выполнение нет.

Ресурсы IPC могут существовать без процессов, их создавших. Это означает, что созданный разделяемый ресурс будет существовать до тех пор, пока его явно не удалят либо до перезапуска системы.

Итак, имеется три группы IPC-ресурсов, с каждой из которой связан свой набор функций по работе с конкретным типом ресурса. Но функциональная структура идентична. В частности, среди этих наборов можно выделить функции, имеющие суффикс get (а префиксная часть представляет собою аббревиатуру имени ресурса). Среди параметров данных функций присутствует ключ, о котором шла речь в начале выше, а также некоторые флаги. Соответственно, эти функции в зависимости от флагов позволяют создавать или подключаться к существующему ресурсу IPC, ассоциированному с указываемым ключом.

<ResourceName>get(key, ..., flags);

Параметр флаги (flags) является один из важных параметров. Он может быть комбинацией различных флагов. Основные из них приведены ниже.

• IPC_PRIVATE — данный флаг определяет создание IPC-ресурса, не доступного остальным процессам. Т.е. функция get при наличии данного флага всегда открывает новый ресурс, к которому никто другой не может подключиться. Данный флаг позволяет использовать разделяемый ресурс между родственными процессами (поскольку дескриптор созданного ресурса передается при наследовании дочерним процессам).

• IPC_CREAT — если данного флага нет среди параметров функции get, то это означает, что процесс хочет подключиться к существующему ресурсу. В этом случае, если такой ресурс существует, и права доступа к нему позволяют к нему обратиться, то процесс получит дескриптор ресурса и продолжит работу. Иначе функция get вернет -1, а переменная errno будет содержать код ошибки. Если же при вызове функции get данный флаг установлен, то функция работает на создание или подключение к существующему ресурсу. В данном случае возможно возникновение ошибки из-за нехватки прав доступа в случае существования ресурса. Но при установленном флаге встает вопрос, кто является владельцем ресурса, и, соответственно, кто его должен удалять (поскольку каждый процесс либо подключается к существующему ресурсу, либо создает новый). Для разрешения данной проблемы используется следующий флаг.

• IPC_EXCL — используя данный флаг в паре с флагом IPC_CREAT, функция get будет работать только на создание нового ресурса. Если же ресурс будет уже существовать, то функция get вернет -1, а переменная errno будет содержать код соответствующей ошибки.

Ниже приводится список некоторых ошибок, возможных при вызове функции get, возвращаемых в переменной errno:

• ENOENT — ресурс не существует, и не указан флаг IPC_CREAT;

• EEXIST — ресурс существует, и установлены флаги IPC_CREAT | IPC_EXCL;

• EACCESS — не хватает прав доступа на подключение.