Уильям Стивенс - UNIX: взаимодействие процессов

ПРИМЕЧАНИЕ

Программные (неименованные) каналы в принципе могут использоваться неродственными процессами, если предоставить им возможность передавать друг другу дескрипторы (см. раздел 15.8 этой книги или раздел 13.7 [24]). Однако на практике эти каналы обычно используются для осуществления взаимодействия между процессами, у которых есть общий предок.

В этой главе описываются детали, касающиеся создания и использования программных каналов и каналов FIFO. Мы рассмотрим пример простейшего сервера файлов, а также обратим внимание на некоторые детали модели клиент-сервер, в частности постараемся определить количество требуемых каналов IPC, сравним последовательные серверы с параллельными и неструктурированные потоки байтов с сообщениями.

Пример приложения модели клиент-сервер приведен на рис. 4.1. Именно на него мы будем ссылаться в тексте этой главы и главы 6 при необходимости проиллюстрировать использование программных каналов, FIFO и очередей сообщений System V.

Клиент считывает полное имя (файла) из стандартного потока ввода и записывает его в канал IPC. Сервер считывает это имя из канала IPC и производит попытку открытия файла на чтение. Если попытка оказывается успешной, сервер считывает файл и записывает его в канал IPC. В противном случае сервер возвращает клиенту сообщение об ошибке. Клиент считывает данные из канала IPC и записывает их в стандартный поток вывода. Если сервер не может считать файл, из канала будет считано сообщение об ошибке. В противном случае будет принято содержимое файла. Две штриховые линии между клиентом и сервером на рис. 4.1 представляют собой канал IPC.

Рис. 4.1. Пример приложения типа клиент-сервер

Программные каналы имеются во всех существующих реализациях и версиях Unix. Канал создается вызовом pipe и предоставляет возможность однонаправленной (односторонней) передачи данных:

#include

int pipe(int fd[2]);

/* возвращает 0 в случае успешного завершения. –1 – в случае ошибки:*/

Функция возвращает два файловых дескриптора: fd[0] и fd[1], причем первый открыт для чтения, а второй — для записи.

ПРИМЕЧАНИЕ

Некоторые версии Unix, в частности SVR4, поддерживают двусторонние каналы (full-duplex pipes). В этом случае канал открыт на запись и чтение с обоих концов. Другой способ создания двустороннего канала IPC заключается в вызове функции socketpair, описанной в разделе 14.3 [24]. Его можно использовать в большинстве современных версий Unix. Однако чаще всего каналы используются при работе с интерпретатором команд, где уместно использование именно односторонних каналов.

Стандарты Posix.1 и Unix 98 требуют только односторонних каналов, и мы будем исходить из этого.

Для определения типа дескриптора (файла, программного канала или FIFO) можно использовать макрос S_ISFIFO. Он принимает единственный аргумент: поле st_mode структуры stat и возвращает значение «истина» (ненулевое значение) или «ложь» (ноль). Структуру stat для канала возвращает функция fstat. Для FIFO структура возвращается функциями fstat, lstat и stat.

На рис. 4.2 изображен канал при использовании его единственным процессом.

Рис. 4.2. Канал в одиночном процессе

Хотя канал создается одним процессом, он редко используется только этим процессом (пример канала в одиночном процессе приведен в листинге 5.12). Каналы обычно используются для связи между двумя процессами (родительским и дочерним) следующим образом: процесс создает канал, а затем вызывает fork, создавая свою копию — дочерний процесс (рис. 4.3). Затем родительский процесс закрывает открытый для чтения конец канала, а дочерний, в свою очередь, — открытый на запись конец канала. Это обеспечивает одностороннюю передачу данных между процессами, как показано на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Канал после вызова fork

Рис. 4.4. Канал между двумя процессами

При вводе команды наподобие

who|sort|lp

в интерпретаторе команд Unix интерпретатор выполняет вышеописанные действия для создания трех процессов с двумя каналами между ними. Интерпретатор также подключает открытый для чтения конец каждого канала к стандартному потоку ввода, а открытый на запись — к стандартному потоку вывода. Созданный таким образом канал изображен на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Каналы между тремя процессами при конвейерной обработке

Все рассмотренные выше каналы были однонаправленными (односторонними), то есть позволяли передавать данные только в одну сторону. При необходимости передачи данных в обе стороны нужно создавать пару каналов и использовать каждый из них для передачи данных в одну сторону. Этапы создания двунаправленного канала IPC следующие:

1. Создаются каналы 1 (fd1[0] и fd1[1]) и 2 (fd2[0] и fd2[1]).

2. Вызов fork.

3. Родительский процесс закрывает доступный для чтения конец канала 1 (fd1[0]).

4. Родительский процесс закрывает доступный для записи конец канала 2 (fd2[1]).

5. Дочерний процесс закрывает доступный для записи конец канала 1 (fd1[1]).

6. Дочерний процесс закрывает доступный для чтения конец канала 2 (fd2[0]).

Текст программы, выполняющей эти действия, приведен в листинге 4.1. При этом создается структура каналов, изображенная на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Двусторонняя передача данных по двум каналам

Давайте напишем программу, описанную в разделе 4.2, с использованием каналов. Функция main создает два канала и вызывает fork для создания копии процесса. Родительский процесс становится клиентом, а дочерний — сервером. Первый канал используется для передачи полного имени от клиента серверу, а второй — для передачи содержимого файла (или сообщения об ошибке) от сервера клиенту. Таким образом мы получаем структуру, изображенную на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Реализация рис. 4.1 с использованием двух каналов

Обратите внимание на то, что мы изображаем на рис. 4.7 два канала, соединяющих сервер с клиентом, но оба канала проходят через ядро, поэтому каждый передаваемый байт пересекает интерфейс ядра дважды: при записи в канал и при считывании из него.

В листинге 4.1 [1] Все исходные тексты, опубликованные в этой книге, вы можете найти по адресу http://www.piter.com/download. приведена функция main для данного примера.

//pipe/mainpipe.c

1 #include "unpipc.h"

2 void client(int, int), server(int, int);

3 int

4 main(int argc, char **argv)

5 {

6 int pipe1[2], pipe2[2]:

7 pid_t childpid;

8 Pipe(pipe1); /* создание двух каналов */

9 Pipe(pipe2);

10 if ((childpid = Fork()) == 0) { /* child */

11 Close(pipe1[1]);

12 Close(pipe2[0]);

13 server(pipe1[0], pipe2[1]);

14 exit(0);

15 }