Потоки
Хотя концепция процессов в системах Unix используется уже очень давно, возможность использовать несколько потоков внутри одного процесса появилась относительно недавно. Стандарт потоков Posix.1, называемый Pthreads, был принят в 1995 году. С точки зрения взаимодействия процессов все потоки одного процесса имеют общие глобальные переменные (то есть поточной модели свойственно использование общей памяти). Однако потокам требуется синхронизация доступа к глобальным данным. Вообще, синхронизация, не являясь собственно формой IPC, часто используется совместно с различными формами IPC для управления доступом к данным.
В этой книге описано взаимодействие между процессами и между потоками. Мы предполагаем наличие среды, в которой поддерживается многопоточное программирование, и будем использовать выражения вида «если канал пуст, вызывающий поток блокируется до тех пор, пока какой-нибудь другой поток не произведет запись в канал». Если система не поддерживает потоки, можно в этом предложении заменить «потоки» на «процессы» и получится классическое определение блокировки в Unix, возникающей при считывании из пустого канала командой read. Однако в системе, поддерживающей потоки, блокируется только поток, запросивший данные из пустого канала, а все остальные потоки процесса будут продолжать выполняться. Записать данные в канал сможет другой поток этого же процесса или какой-либо поток другого процесса.
В приложении Б сведены некоторые основные характеристики потоков и дано описание пяти основных функций Pthread, используемых в программах этой книги.
1.3. Живучесть объектов IPC
Можно определить живучесть (persistence) любого объекта IPC как продолжительность его существования. На рис. 1.2 изображены три возможные группы, к которым могут быть отнесены объекты по живучести.
Рис. 1.2. Живучесть объектов IPC
1. Объект IPC, живучесть которого определяется процессом (process-persistent), существует до тех пор, пока не будет закрыт последним процессом, в котором он еще открыт. Примером являются неименованные и именованные каналы (pipes, FIFO).
2. Объект IPC, живучесть которого определяется ядром (kernel-persistent), существует до перезагрузки ядра или до явного удаления объекта. Примером являются очереди сообщений стандарта System V, семафоры и разделяемая память. Живучесть очередей сообщений Posix, семафоров и разделяемой памяти должна определяться по крайней мере ядром, но может определяться и файловой системой в зависимости от реализации.
3. Объект IPC, живучесть которого определяется файловой системой (filesystem-persistent), существует до тех пор, пока не будет удален явно. Его значение сохраняется даже при перезагрузке ядра. Очереди сообщений Posix, семафоры и память с общим доступом обладают этим свойством, если они реализованы через отображаемые файлы (так бывает не всегда).
Следует быть аккуратным при определении живучести объекта IPC, поскольку она не всегда очевидна. Например, данные в канале (pipe) обрабатываются ядром, но живучесть каналов определяется процессами, а не ядром, потому что после того, как последний процесс, которым канал был открыт на чтение, закроет его, ядро сбросит все данные и удалит канал. Аналогично, хотя каналы FIFO и обладают именами в файловой системе, живучесть их также определяется процессами, поскольку все данные в таком канале сбрасываются после того, как последний процесс, в котором он был открыт, закроет его.
В табл. 1.1 сведена информация о живучести перечисленных ранее объектов IPC.
Таблица 1.1. Живучесть различных типов объектов IPC
Тип IPC Живучесть определяет Программный канал (pipe) Процесс Именованный канал (FIFO) Процесс Взаимное исключение Posix (mutex) Процесс Условная переменная Posix (condition variable) Процесс Блокировка чтения-записи Posix (lock) Процесс Блокировка записи fcntl Процесс Очередь сообщений Posix (message queue) Ядро Именованный семафор Posix (named semaphore) Ядро Семафор Posix в памяти (memory-based semaphore) Процесс Разделяемая память Posix (shared memory) Ядро Очередь сообщений System V Ядро Семафор System V Ядро Память с общим доступом System V Ядро Сокет TCP (TCP socket) Процесс Сокет UDP (UDP socket) Процесс Доменный сокет Unix (Unix domain socket) ПроцессОбратите внимание, что ни один тип IPC в этой таблице не обладает живучестью, определяемой файловой системой. Мы уже упомянули о том, что три типа объектов IPC в стандарте Posix могут иметь этот тип живучести в зависимости от реализации. Очевидно, что запись данных в файл обеспечивает живучесть, определяемую файловой системой, но обычно IPC таким образом не реализуются. Большая часть объектов IPC не предназначена для того, чтобы существовать и после перезагрузки, потому что ее не переживают процессы. Требование живучести, определяемой файловой системой, скорее всего, снизит производительность данного типа IPC, а обычно одной из задач разработчика является именно обеспечение высокой производительности.
1.4. Пространства имен
Если два неродственных процесса используют какой-либо вид IPC для обмена информацией, объект IPC должен иметь имя или идентификатор, чтобы один из процессов (называемый обычно сервером — server) мог создать этот объект, а другой процесс (обычно один или несколько клиентов — client) мог обратиться к этому конкретному объекту.
Программные каналы (pipes) именами не обладают (и поэтому не могут использоваться для взаимодействия между неродственными процессами), но каналам FIFO сопоставляются имена в файловой системе, являющиеся их идентификаторами (поэтому каналы FIFO могут использоваться для взаимодействия неродственных процессов). Для других типов IPC, рассматриваемых в последующих главах, используются дополнительные соглашения об именовании (naming conventions). Множество возможных имен для определенного типа IPC называется его пространством имен (name space). Пространство имен — важный термин, поскольку для всех видов IPC, за исключением простых каналов, именем определяется способ связи клиента и сервера для обмена сообщениями.
В табл. 1.2 сведены соглашения об именовании для различных видов IPC.
Таблица 1.2. Пространства имен для различных типов IPC
Тип IPC Пространство имен для создания или открытия Идентификатор после открытия Posix.1 1996 Unix 98 Канал (Без имени) Дескриптор • • FIFO Имя файла (pathname) Дескриптор • • Взаимное исключение Posix (Без имени) Указатель типа pthread_mutex_t • • Условная переменная Posix (Без имени) Указатель типа pthread_cond_t • • Блокировка чтения-записи Posix (Без имени) Указатель типа pthread_rwlock_t • Блокировка записей fcntl Имя файла Дескриптор • • Разделяемая память Posix Posix-имя IPC Дескриптор • • Очередь сообщений System V Ключ key_t Идентификатор IPC System V • Семафор System V Ключ key_t Идентификатор IPC System V • Разделяемая память System V Ключ key_t Идентификатор IPC System V • Двери (doors) Имя файла Дескриптор Удаленный вызов процедур (RPC) Sun Программа/версия Дескриптор (handle) RPC Сокет TCP IP-адрес и порт TCP Дескриптор .1g • Сокет UDP IP-адрес и порт TCP Дескриптор .1g • Доменный сокет Unix (domain socket) Полное имя файла Дескриптор .1g •Здесь также указано, какие формы IPC содержатся в стандарте Posix.1 1996 года и какие были включены в стандарт Unix 98. Об обоих этих стандартах более подробно рассказано в разделе 1.7. Для сравнения мы включили в эту таблицу три типа сокетов, которые подробно описаны в [24]. Обратите внимание, что интерфейс сокетов (Application Program Interface — API) стандартизируется рабочей группой Posix.1g и должен в будущем стать частью стандарта Posix.1.