What are semaphores linux

Знакомство с межпроцессным взаимодействием на Linux

Межпроцессное взаимодействие (Inter-process communication (IPC)) — это набор методов для обмена данными между потоками процессов. Процессы могут быть запущены как на одном и том же компьютере, так и на разных, соединенных сетью. IPC бывают нескольких типов: «сигнал», «сокет», «семафор», «файл», «сообщение»…

Отступление: данная статья является учебной и расчитана на людей, только еще вступающих на путь системного программирования. Ее главный замысел — познакомиться с различными способами взаимодействия между процессами на POSIX-совместимой ОС.

Именованный канал

Для передачи сообщений можно использовать механизмы сокетов, каналов, D-bus и другие технологии. Про сокеты на каждом углу можно почитать, а про D-bus отдельную статью написать. Поэтому я решил остановиться на малоозвученных технологиях отвечающих стандартам POSIX и привести рабочие примеры.

Рассмотрим передачу сообщений по именованным каналам. Схематично передача выглядит так:

Для создания именованных каналов будем использовать функцию, mkfifo():

Примечание: mode используется в сочетании с текущим значением umask следующим образом: (mode &

umask). Результатом этой операции и будет новое значение umask для создаваемого нами файла. По этой причине мы используем 0777 (S_IRWXO | S_IRWXG | S_IRWXU), чтобы не затирать ни один бит текущей маски.

Как только файл создан, любой процесс может открыть этот файл для чтения или записи также, как открывает обычный файл. Однако, для корректного использования файла, необходимо открыть его одновременно двумя процессами/потоками, одним для получение данных (чтение файла), другим на передачу (запись в файл).

В случае успешного создания FIFO файла, mkfifo() возвращает 0 (нуль). В случае каких либо ошибок, функция возвращает -1 и выставляет код ошибки в переменную errno.

Типичные ошибки, которые могут возникнуть во время создания канала:

• EACCES — нет прав на запуск (execute) в одной из директорий в пути pathname
• EEXIST — файл pathname уже существует, даже если файл — символическая ссылка
• ENOENT — не существует какой-либо директории, упомянутой в pathname, либо является битой ссылкой
• ENOSPC — нет места для создания нового файла
• ENOTDIR — одна из директорий, упомянутых в pathname, на самом деле не является таковой
• EROFS — попытка создать FIFO файл на файловой системе «только-на-чтение»

Чтение и запись в созданный файл производится с помощью функций read() и write().

Пример

mkfifo.c

Мы открываем файл только для чтения (O_RDONLY). И могли бы использовать O_NONBLOCK модификатор, предназначенный специально для FIFO файлов, чтобы не ждать когда с другой стороны файл откроют для записи. Но в приведенном коде такой способ неудобен.

Компилируем программу, затем запускаем ее:

В соседнем терминальном окне выполняем:

В результате мы увидим следующий вывод от программы:

Разделяемая память

Следующий тип межпроцессного взаимодействия — разделяемая память (shared memory). Схематично изобразим ее как некую именованную область в памяти, к которой обращаются одновременно два процесса:

Для выделения разделяемой памяти будем использовать POSIX функцию shm_open():

Функция возвращает файловый дескриптор, который связан с объектом памяти. Этот дескриптор в дальнейшем можно использовать другими функциями (к примеру, mmap() или mprotect()).

Целостность объекта памяти сохраняется, включая все данные связанные с ним, до тех пор пока объект не отсоединен/удален (shm_unlink()). Это означает, что любой процесс может получить доступ к нашему объекту памяти (если он знает его имя) до тех пор, пока явно в одном из процессов мы не вызовем shm_unlink().

Переменная oflag является побитовым «ИЛИ» следующих флагов:

• O_RDONLY — открыть только с правами на чтение
• O_RDWR — открыть с правами на чтение и запись
• O_CREAT — если объект уже существует, то от флага никакого эффекта. Иначе, объект создается и для него выставляются права доступа в соответствии с mode.
• O_EXCL — установка этого флага в сочетании с O_CREATE приведет к возврату функцией shm_open ошибки, если сегмент общей памяти уже существует.

Как задается значение параметра mode подробно описано в предыдущем параграфе «передача сообщений».

После создания общего объекта памяти, мы задаем размер разделяемой памяти вызовом ftruncate(). На входе у функции файловый дескриптор нашего объекта и необходимый нам размер.

Пример

Следующий код демонстрирует создание, изменение и удаление разделяемой памяти. Так же показывается как после создания разделяемой памяти, программа выходит, но при следующем же запуске мы можем получить к ней доступ, пока не выполнен shm_unlink().

shm_open.c

После создания объекта памяти мы установили нужный нам размер shared memory вызовом ftruncate(). Затем мы получили доступ к разделяемой памяти при помощи mmap(). (Вообще говоря, даже с помощью самого вызова mmap() можно создать разделяемую память. Но отличие вызова shm_open() в том, что память будет оставаться выделенной до момента удаления или перезагрузки компьютера.)

Компилировать код на этот раз нужно с опцией -lrt:

Смотрим что получилось:

Аргумент «create» в нашей программе мы используем как для создания разделенной памяти, так и для изменения ее содержимого.

Зная имя объекта памяти, мы можем менять содержимое разделяемой памяти. Но стоит нам вызвать shm_unlink(), как память перестает быть нам доступна и shm_open() без параметра O_CREATE возвращает ошибку «No such file or directory».

Семафор

Семафор — самый часто употребляемый метод для синхронизации потоков и для контролирования одновременного доступа множеством потоков/процессов к общей памяти (к примеру, глобальной переменной). Взаимодействие между процессами в случае с семафорами заключается в том, что процессы работают с одним и тем же набором данных и корректируют свое поведение в зависимости от этих данных.

Есть два типа семафоров:

1. семафор со счетчиком (counting semaphore), определяющий лимит ресурсов для процессов, получающих доступ к ним
2. бинарный семафор (binary semaphore), имеющий два состояния «0» или «1» (чаще: «занят» или «не занят»)

Рассмотрим оба типа семафоров.

Семафор со счетчиком

Смысл семафора со счетчиком в том, чтобы дать доступ к какому-то ресурсу только определенному количеству процессов. Остальные будут ждать в очереди, когда ресурс освободится.

Итак, для реализации семафоров будем использовать POSIX функцию sem_open():

В функцию для создания семафора мы передаем имя семафора, построенное по определенным правилам и управляющие флаги. Таким образом у нас получится именованный семафор.
Имя семафора строится следующим образом: в начале идет символ «/» (косая черта), а следом латинские символы. Символ «косая черта» при этом больше не должен применяться. Длина имени семафора может быть вплоть до 251 знака.

Если нам необходимо создать семафор, то передается управляющий флаг O_CREATE. Чтобы начать использовать уже существующий семафор, то oflag равняется нулю. Если вместе с флагом O_CREATE передать флаг O_EXCL, то функция sem_open() вернет ошибку, в случае если семафор с указанным именем уже существует.

Параметр mode задает права доступа таким же образом, как это объяснено в предыдущих главах. А переменной value инициализируется начальное значение семафора. Оба параметра mode и value игнорируются в случае, когда семафор с указанным именем уже существует, а sem_open() вызван вместе с флагом O_CREATE.

Для быстрого открытия существующего семафора используем конструкцию:
, где указываются только имя семафора и управляющий флаг.

Пример семафора со счетчиком

Рассмотрим пример использования семафора для синхронизации процессов. В нашем примере один процесс увеличивает значение семафора и ждет, когда второй сбросит его, чтобы продолжить дальнейшее выполнение.

sem_open.c

В одной консоли запускаем:

В соседней консоли запускаем:

Бинарный семафор

Вместо бинарного семафора, для которого так же используется функция sem_open, я рассмотрю гораздо чаще употребляемый семафор, называемый «мьютекс» (mutex).

Мьютекс по существу является тем же самым, чем является бинарный семафор (т.е. семафор с двумя состояниями: «занят» и «не занят»). Но термин «mutex» чаще используется чтобы описать схему, которая предохраняет два процесса от одновременного использования общих данных/переменных. В то время как термин «бинарный семафор» чаще употребляется для описания конструкции, которая ограничивает доступ к одному ресурсу. То есть бинарный семафор используют там, где один процесс «занимает» семафор, а другой его «освобождает». В то время как мьютекс освобождается тем же процессом/потоком, который занял его.

Без мьютекса не обойтись в написании, к примеру базы данных, к которой доступ могут иметь множество клиентов.

Для использования мьютекса необходимо вызвать функцию pthread_mutex_init():

Функция инициализирует мьютекс (перемнную mutex) аттрибутом mutexattr. Если mutexattr равен NULL, то мьютекс инициализируется значением по умолчанию. В случае успешного выполнения функции (код возрата 0), мьютекс считается инициализированным и «свободным».

Типичные ошибки, которые могут возникнуть:

• EAGAIN — недостаточно необходимых ресурсов (кроме памяти) для инициализации мьютекса
• ENOMEM — недостаточно памяти
• EPERM — нет прав для выполнения операции
• EBUSY — попытка инициализировать мьютекс, который уже был инициализирован, но не унечтожен
• EINVAL — значение mutexattr не валидно

Чтобы занять или освободить мьютекс, используем функции:

Функция pthread_mutex_lock(), если mutex еще не занят, то занимает его, становится его обладателем и сразу же выходит. Если мьютекс занят, то блокирует дальнейшее выполнение процесса и ждет освобождения мьютекса.
Функция pthread_mutex_trylock() идентична по поведению функции pthread_mutex_lock(), с одним исключением — она не блокирует процесс, если mutex занят, а возвращает EBUSY код.
Фунция pthread_mutex_unlock() освобождает занятый мьютекс.

Коды возврата для pthread_mutex_lock():

• EINVAL — mutex неправильно инициализирован
• EDEADLK — мьютекс уже занят текущим процессом

Коды возврата для pthread_mutex_trylock():

• EBUSY — мьютекс уже занят
• EINVAL — мьютекс неправильно инициализирован

Коды возврата для pthread_mutex_unlock():

• EINVAL — мьютекс неправильно инициализирован
• EPERM — вызывающий процесс не является обладателем мьютекса

Пример mutex

mutex.c

Данный пример демонстрирует совместный доступ двух потоков к общей переменной. Один поток (первый поток) в автоматическом режиме постоянно увеличивает переменную counter на единицу, при этом занимая эту переменную на целую секунду. Этот первый поток дает второму доступ к переменной count только на 10 миллисекунд, затем снова занимает ее на секунду. Во втором потоке предлагается ввести новое значение для переменной с терминала.

Если бы мы не использовали технологию «мьютекс», то какое значение было бы в глобальной переменной, при одновременном доступе двух потоков, нам не известно. Так же во время запуска становится очевидна разница между pthread_mutex_lock() и pthread_mutex_trylock().

Компилировать код нужно с дополнительным параметром -lpthread:

Запускаем и меняем значение переменной просто вводя новое значение в терминальном окне:

Вместо заключения

В следующих статьях я хочу рассмотреть технологии d-bus и RPC. Если есть интерес, дайте знать.
Спасибо.

UPD: Обновил 3-ю главу про семафоры. Добавил подглаву про мьютекс.

Источник

Understanding Semaphores in Linux

A semaphore is a mechanism that allows contending process or thread to alter, monitor queries, and control shared system resources. A semaphore is a solution to the race condition in a multiprocessing system. A race condition occurs when multiple processes try to access shared resources. If the multi-threaded feature is needed by the application, then it comes with a set of issues such as race condition, deadlocks, and incorrect behavior of threads.

To solve race condition, deadlocks, incorrect behavior of threads, the Kernel provides a set of tools like mutex, semaphores, singals and barriers that are handy in solving multithreaded multiprocessor issues.

There are three types of Semaphores

1) Binary Semaphores
2) Counting Semaphores
3) Semaphore Sets

Show XSI inter-process communication

The below commands show XSI inter-process communication facilities status.

Display Active semaphore sets

Print information about active semaphore sets.

Shared memory segments

Print information about active shared memory segments.

Shows limits

The ipcs -l shows limits of shared memory, semaphores, and messages.

Lists the shared memories

The below command lists the shared memories.

Lists creator’s ID

Command lists creator’s user ID and group ID as well as owner’s user ID and group ID.

Usage of IPC facilities

In the below option ,’u’ displays current usage for all the IPC facilities.

When you stop all the services, semaphores and shared memory segments have to be removed. If not, you will be required to use the ipcs command. The segment ID can be removed using ipcrm command.

You can increase the semaphore values in sysctl file.

Источник

Знакомимся с семафорами в Linux

Перевод статьи подготовлен в преддверии старта курса «Administrator Linux.Basic».

Семафор – это механизм, который позволяет конкурирующим процессам и потокам работать с общими ресурсами и помогает в решении различных проблем синхронизации таких как гонки, дедлоки (взаимные блокировки) и неправильное поведение потоков.

Для решения этих проблем в ядре присутствуют такие средства как мьютексы, семафоры, сигналы и барьеры.

Есть три вида семафоров:

1. Бинарные семафоры (binary semaphore)
2. Семафоры-счетчики (counting semaphore)
3. Массивы семафоров (semaphore set)

Просмотр состояния IPC

С помощью команд, приведенных ниже можно получить информацию о текущем состоянии средств межпроцессного взаимодействия (inter-process communication, IPC).

Активные массивы семафоров

Отображение информации об активных массивах семафоров.

Сегменты разделяемой памяти

Просмотр информации об активных сегментах разделяемой памяти.

Лимиты

Команда ipcs -l отображает лимиты разделяемой памяти, семафоров и сообщений.

Разделяемая память

Команда ниже отображает разделяемую память.

Создатели ресурсов

Команда отображает пользователя и группу владельца и создателя ресурса.

Использование средств IPC

В примере, приведенном ниже, параметр -u отображает сводку об использовании всех средств IPC.

При остановке сервисов семафоры и сегменты разделяемой памяти должны также удаляться. Если они не удаляются, то это можно сделать с помощью команды ipcrm, передав идентификатор IPC-объекта.

Можно также изменить лимиты семафоров, используя sysctl .

Источник

Читайте также:  Свободные операционные системы совместимые с windows