Страница:
В качестве примера рассмотрим программу uucp, которая обслуживает пересылку файлов в сети и исполнение команд на удалении (см. [Nowitz 80]). Процесс-клиент запрашивает в базе данных адрес и другую маршрутную информацию (например, номер телефона), открывает автокоммутатор, записывает или проверяет информацию в дескрипторе открываемого файла и вызывает удаленную машину. Удаленная машина может иметь специальные линии, выделенные для использования программой uucp; выполняющийся на этой машине процесс init порождает getty-процессы — серверы, которые управляют линиями и получают извещения о подключениях. После выполнения аппаратного подключения процесс-клиент регистрируется в системе в соответствии с обычным протоколом регистрации: getty-процесс запускает специальный интерпретатор команд, uucico, указанный в файле "/etc/passwd", а процесс-клиент передает на удаленную машину последовательность команд, тем самым заставляя ее исполнять процессы от имени локальной машины.
Сетевое взаимодействие в системе UNIX представляет серьезную проблему, поскольку сообщения должны включать в себя как информационную, так и управляющую части. В управляющей части сообщения может располагаться адрес назначения сообщения. В свою очередь, структура адресных данных зависит от типа сети и используемого протокола. Следовательно, процессам нужно знать тип сети, а это идет вразрез с тем принципом, по которому пользователи не должны обращать внимания на тип файла, ибо все устройства для пользователей выглядят как файлы. Традиционные методы реализации сетевого взаимодействия при установке управляющих параметров в сильной степени полагаются на помощь системной функции ioctl, однако в разных типах сетей этот момент воплощается по-разному. Отсюда возникает нежелательный побочный эффект, связанный с тем, что программы, разработанные для одной сети, в других сетях могут не заработать.
Чтобы разработать сетевые интерфейсы для системы UNIX, были предприняты значительные усилия. Реализация потоков в последних редакциях версии V располагает элегантным механизмом поддержки сетевого взаимодействия, обеспечивающим гибкое сочетание отдельных модулей протоколов и их согласованное использование на уровне задач. Следующий раздел посвящен краткому описанию метода решения данных проблем в системе BSD, основанного на использовании гнезд.
11.4 ГНЕЗДА
11.5 ВЫВОДЫ
11.6 УПРАЖНЕНИЯ
ГЛАВА 12. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
12.1 ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С МНОГОПРОЦЕССОРНЫМИ СИСТЕМАМИ
12.2 ГЛАВНЫЙ И ПОДЧИНЕННЫЙ ПРОЦЕССОРЫ
Сетевое взаимодействие в системе UNIX представляет серьезную проблему, поскольку сообщения должны включать в себя как информационную, так и управляющую части. В управляющей части сообщения может располагаться адрес назначения сообщения. В свою очередь, структура адресных данных зависит от типа сети и используемого протокола. Следовательно, процессам нужно знать тип сети, а это идет вразрез с тем принципом, по которому пользователи не должны обращать внимания на тип файла, ибо все устройства для пользователей выглядят как файлы. Традиционные методы реализации сетевого взаимодействия при установке управляющих параметров в сильной степени полагаются на помощь системной функции ioctl, однако в разных типах сетей этот момент воплощается по-разному. Отсюда возникает нежелательный побочный эффект, связанный с тем, что программы, разработанные для одной сети, в других сетях могут не заработать.
Чтобы разработать сетевые интерфейсы для системы UNIX, были предприняты значительные усилия. Реализация потоков в последних редакциях версии V располагает элегантным механизмом поддержки сетевого взаимодействия, обеспечивающим гибкое сочетание отдельных модулей протоколов и их согласованное использование на уровне задач. Следующий раздел посвящен краткому описанию метода решения данных проблем в системе BSD, основанного на использовании гнезд.
11.4 ГНЕЗДА
В предыдущем разделе было показано, каким образом взаимодействуют между собой процессы, протекающие на разных машинах, при этом обращалось внимание на то, что способы реализации взаимодействия могут быть различаться в зависимости от используемых протоколов и сетевых средств. Более того, эти способы не всегда применимы для обслуживания взаимодействия процессов, выполняющихся на одной и той же машине, поскольку в них предполагается существование обслуживающего (серверного) процесса, который при выполнении системных функций open или read будет приостанавливаться драйвером. В целях создания более универсальных методов взаимодействия процессов на основе использования многоуровневых сетевых протоколов для системы BSD был разработан механизм, получивший название "sockets" (гнезда) (см. [Berkeley 83]). В данном разделе мы рассмотрим некоторые аспекты применения гнезд (на пользовательском уровне представления).
Рисунок 11.18. Модель с использованием гнезд
Структура ядра имеет три уровня: гнезд, протоколов и устройств (Рисунок 11.18). Уровень гнезд выполняет функции интерфейса между обращениями к операционной системе (системным функциям) и средствами низких уровней, уровень протоколов содержит модули, обеспечивающие взаимодействие процессов (на рисунке упомянуты протоколы TCP и IP), а уровень устройств содержит драйверы, управляющие сетевыми устройствами. Допустимые сочетания протоколов и драйверов указываются при построении системы (в секции конфигурации); этот способ уступает по гибкости вышеупомянутому потоковому механизму. Процессы взаимодействуют между собой по схеме клиент-сервер: сервер ждет сигнала от гнезда, находясь на одном конце дуплексной линии связи, а процессы-клиенты взаимодействуют с сервером через гнездо, находящееся на другом конце, который может располагаться на другой машине. Ядро обеспечивает внутреннюю связь и передает данные от клиента к серверу.
Гнезда, обладающие одинаковыми свойствами, например, опирающиеся на общие соглашения по идентификации и форматы адресов (в протоколах), группируются в домены (управляемые одним узлом). В системе BSD 4.2 поддерживаются домены: "UNIX system" — для взаимодействия процессов внутри одной машины и "Internet" (межсетевой) — для взаимодействия через сеть с помощью протокола DARPA (Управление перспективных исследований и разработок Министерства обороны США) (см. [Postel 80] и [Postel 81]). Гнезда бывают двух типов: виртуальный канал (потоковое гнездо, если пользоваться терминологией Беркли) и дейтаграмма. Виртуальный канал обеспечивает надежную доставку данных с сохранением исходной последовательности. Дейтаграммы не гарантируют надежную доставку с сохранением уникальности и последовательности, но они более экономны в смысле использования ресурсов, поскольку для них не требуются сложные установочные операции; таким образом, дейтаграммы полезны в отдельных случаях взаимодействия. Для каждой допустимой комбинации типа домен-гнездо в системе поддерживается умолчание на используемый протокол. Так, например, для домена "Internet" услуги виртуального канала выполняет протокол транспортной связи (TCP), а функции дейтаграммы — пользовательский дейтаграммный протокол (UDP).
Существует несколько системных функций работы с гнездами. Функция socket устанавливает оконечную точку линии связи.
sd = socket(format, type, protocol);
Format обозначает домен ("UNIX system" или "Internet"), type — тип связи через гнездо (виртуальный канал или дейтаграмма), а protocol — тип протокола, управляющего взаимодействием. Дескриптор гнезда sd, возвращаемый функцией socket, используется другими системными функциями. Закрытие гнезд выполняет функция close.
Функция bind связывает дескриптор гнезда с именем:
bind(sd, address, length);
где sd — дескриптор гнезда, address — адрес структуры, определяющей идентификатор, характерный для данной комбинации домена и протокола (в функции socket). Length — длина структуры address; без этого параметра ядро не знало бы, какова длина структуры, поскольку для разных доменов и протоколов она может быть различной. Например, для домена "UNIX system" структура содержит имя файла. Процессы-серверы связывают гнезда с именами и объявляют о состоявшемся присвоении имен процессам-клиентам.
С помощью системной функции connect делается запрос на подключение к существующему гнезду:
connect(sd, address, length);
Семантический смысл параметров функции остается прежним (см. функцию bind), но address указывает уже на выходное гнездо, образующее противоположный конец линии связи. Оба гнезда должны использовать одни и те же домен и протокол связи, и тогда ядро удостоверит правильность установки линии связи. Если тип гнезда — дейтаграмма, сообщаемый функцией connect ядру адрес будет использоваться в последующих обращениях к функции send через данное гнездо; в момент вызова никаких соединений не производится.
Пока процесс-сервер готовится к приему связи по виртуальному каналу, ядру следует выстроить поступающие запросы в очередь на обслуживание. Максимальная длина очереди задается с помощью системной функции listen:
listen(sd, qlength)
где sd — дескриптор гнезда, а qlength — максимально-допустимое число запросов, ожидающих обработки.
Рисунок 11.19. Прием вызова сервером
Системная функция accept принимает запросы на подключение, поступающие на вход процесса-сервера:
nsd = accept(sd, address, addrlen);
где sd — дескриптор гнезда, address — указатель на пользовательский массив, в котором ядро возвращает адрес подключаемого клиента, addrlen — размер пользовательского массива. По завершении выполнения функции ядро записывает в переменную addrlen размер пространства, фактически занятого массивом. Функция возвращает новый дескриптор гнезда (nsd), отличный от дескриптора sd. Процесс-сервер может продолжать слежение за состоянием объявленного гнезда, поддерживая связь с клиентом по отдельному каналу (Рисунок 11.19).
Функции send и recv выполняют передачу данных через подключенное гнездо. Синтаксис вызова функции send:
count = send(sd, msg, length, flags);
где sd — дескриптор гнезда, msg — указатель на посылаемые данные, length размер данных, count — количество фактически переданных байт. Параметр flags может содержать значение SOF_OOB (послать данные out-of-band — "через таможню"), если посылаемые данные не учитываются в общем информационном обмене между взаимодействующими процессами. Программа удаленной регистрации, например, может послать out-of-band сообщение, имитирующее нажатие на клавиатуре терминала клавиши "delete". Синтаксис вызова системной функции recv:
count = recv(sd, buf, length, flags);
где buf — массив для приема данных, length — ожидаемый объем данных, count количество байт, фактически переданных пользовательской программе. Флаги (flags) могут быть установлены таким образом, что поступившее сообщение после чтения и анализа его содержимого не будет удалено из очереди, или настроены на получение данных out-of-band. В дейтаграммных версиях указанных функций, sendto и recvfrom, в качестве дополнительных параметров указываются адреса. После выполнения подключения к гнездам потокового типа процессы могут вместо функций send и recv использовать функции read и write. Таким образом, согласовав тип протокола, серверы могли бы порождать процессы, работающие только с функциями read и write, словно имеют дело с обычными файлами.
Функция shutdown закрывает гнездовую связь:
shutdown(sd, mode)
где mode указывает, какой из сторон (посылающей, принимающей или обеим вместе) отныне запрещено участие в процессе передачи данных. Функция сообщает используемому протоколу о завершении сеанса сетевого взаимодействия, оставляя, тем не менее, дескрипторы гнезд в неприкосновенности. Освобождается дескриптор гнезда только в результате выполнения функции close.
Системная функция getsockname получает имя гнездовой связи, установленной ранее с помощью функции bind:
getsockname(sd, name, length);
Функции getsockopt и setsockopt получают и устанавливают значения различных связанных с гнездом параметров в соответствии с типом домена и протокола.
Рассмотрим обслуживающую программу, представленную на Рисунке 11.20. Процесс создает в домене "UNIX system" гнездо потокового типа и присваивает ему имя sockname. Затем с помощью функции listen устанавливается длина очереди поступающих сообщений и начинается цикл ожидания поступления запросов. Функция accept приостанавливает свое выполнение до тех пор, пока протоколом не будет зарегистрирован запрос на подключение к гнезду с означенным именем; после этого функция завершается, возвращая поступившему запросу новый дескриптор гнезда. Процесс-сервер порождает потомка, через которого будет поддерживаться связь с процессом-клиентом; родитель и потомок при этом закрывают свои дескрипторы, чтобы они не становились помехой для коммуникационного траффика другого процесса. Процесс-потомок ведет разговор с клиентом и завершается после выхода из функции read. Процесс-сервер возвращается к началу цикла и ждет поступления следующего запроса на подключение.
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/socket.h›
main() {
int sd, ns;
char buf[256];
struct sockaddr sockaddr;
int fromlen;
sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
/* имя гнезда — не может включать пустой символ */
bind(sd, "sockname", sizeof("sockname") - 1);
listen(sd, 1);
for (;;) {
ns = accept(sd, &sockaddr, &fromlen);
if (fork() == 0) { /* потомок */
close(sd);
read(ns, buf, sizeof(buf));
printf("сервер читает %s'\n",buf);
exit();
}
close(ns);
}
}
Рисунок 11.20. Процесс-сервер в домене "UNIX system"
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/socket.h›
main() {
int sd, ns;
char buf[256];
struct sockaddr sockaddr;
int fromlen;
sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
/* имя в запросе на подключение не может включать пустой символ */
if (connect(sd, "sockname", sizeof("sockname") - 1) == -1) exit();
write(sd, "hi guy", 6);}
Рисунок 11.21. Процесс-клиент в домене "UNIX system"
На Рисунке 11.21 показан пример процесса-клиента, ведущего общение с сервером. Клиент создает гнездо в том же домене, что и сервер, и посылает запрос на подключение к гнезду с именем sockname. В результате подключения процесс-клиент получает виртуальный канал связи с сервером. В рассматриваемом примере клиент передает одно сообщение и завершается.
Если сервер обслуживает процессы в сети, указание о том, что гнездо принадлежит домену "Internet", можно сделать следующим образом:
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
и связаться с сетевым адресом, полученным от сервера. В системе BSD имеются библиотечные функции, выполняющие эти действия. Второй параметр вызываемой клиентом функции connect содержит адресную информацию, необходимую для идентификации машины в сети (или адреса маршрутов посылки сообщений через промежуточные машины), а также дополнительную информацию, идентифицирующую приемное гнездо машины-адресата. Если серверу нужно одновременно следить за состоянием сети и выполнением локальных процессов, он использует два гнезда и с помощью функции select определяет, с каким клиентом устанавливается связь в данный момент.
Структура ядра имеет три уровня: гнезд, протоколов и устройств (Рисунок 11.18). Уровень гнезд выполняет функции интерфейса между обращениями к операционной системе (системным функциям) и средствами низких уровней, уровень протоколов содержит модули, обеспечивающие взаимодействие процессов (на рисунке упомянуты протоколы TCP и IP), а уровень устройств содержит драйверы, управляющие сетевыми устройствами. Допустимые сочетания протоколов и драйверов указываются при построении системы (в секции конфигурации); этот способ уступает по гибкости вышеупомянутому потоковому механизму. Процессы взаимодействуют между собой по схеме клиент-сервер: сервер ждет сигнала от гнезда, находясь на одном конце дуплексной линии связи, а процессы-клиенты взаимодействуют с сервером через гнездо, находящееся на другом конце, который может располагаться на другой машине. Ядро обеспечивает внутреннюю связь и передает данные от клиента к серверу.
Гнезда, обладающие одинаковыми свойствами, например, опирающиеся на общие соглашения по идентификации и форматы адресов (в протоколах), группируются в домены (управляемые одним узлом). В системе BSD 4.2 поддерживаются домены: "UNIX system" — для взаимодействия процессов внутри одной машины и "Internet" (межсетевой) — для взаимодействия через сеть с помощью протокола DARPA (Управление перспективных исследований и разработок Министерства обороны США) (см. [Postel 80] и [Postel 81]). Гнезда бывают двух типов: виртуальный канал (потоковое гнездо, если пользоваться терминологией Беркли) и дейтаграмма. Виртуальный канал обеспечивает надежную доставку данных с сохранением исходной последовательности. Дейтаграммы не гарантируют надежную доставку с сохранением уникальности и последовательности, но они более экономны в смысле использования ресурсов, поскольку для них не требуются сложные установочные операции; таким образом, дейтаграммы полезны в отдельных случаях взаимодействия. Для каждой допустимой комбинации типа домен-гнездо в системе поддерживается умолчание на используемый протокол. Так, например, для домена "Internet" услуги виртуального канала выполняет протокол транспортной связи (TCP), а функции дейтаграммы — пользовательский дейтаграммный протокол (UDP).
Существует несколько системных функций работы с гнездами. Функция socket устанавливает оконечную точку линии связи.
sd = socket(format, type, protocol);
Format обозначает домен ("UNIX system" или "Internet"), type — тип связи через гнездо (виртуальный канал или дейтаграмма), а protocol — тип протокола, управляющего взаимодействием. Дескриптор гнезда sd, возвращаемый функцией socket, используется другими системными функциями. Закрытие гнезд выполняет функция close.
Функция bind связывает дескриптор гнезда с именем:
bind(sd, address, length);
где sd — дескриптор гнезда, address — адрес структуры, определяющей идентификатор, характерный для данной комбинации домена и протокола (в функции socket). Length — длина структуры address; без этого параметра ядро не знало бы, какова длина структуры, поскольку для разных доменов и протоколов она может быть различной. Например, для домена "UNIX system" структура содержит имя файла. Процессы-серверы связывают гнезда с именами и объявляют о состоявшемся присвоении имен процессам-клиентам.
С помощью системной функции connect делается запрос на подключение к существующему гнезду:
connect(sd, address, length);
Семантический смысл параметров функции остается прежним (см. функцию bind), но address указывает уже на выходное гнездо, образующее противоположный конец линии связи. Оба гнезда должны использовать одни и те же домен и протокол связи, и тогда ядро удостоверит правильность установки линии связи. Если тип гнезда — дейтаграмма, сообщаемый функцией connect ядру адрес будет использоваться в последующих обращениях к функции send через данное гнездо; в момент вызова никаких соединений не производится.
Пока процесс-сервер готовится к приему связи по виртуальному каналу, ядру следует выстроить поступающие запросы в очередь на обслуживание. Максимальная длина очереди задается с помощью системной функции listen:
listen(sd, qlength)
где sd — дескриптор гнезда, а qlength — максимально-допустимое число запросов, ожидающих обработки.
Системная функция accept принимает запросы на подключение, поступающие на вход процесса-сервера:
nsd = accept(sd, address, addrlen);
где sd — дескриптор гнезда, address — указатель на пользовательский массив, в котором ядро возвращает адрес подключаемого клиента, addrlen — размер пользовательского массива. По завершении выполнения функции ядро записывает в переменную addrlen размер пространства, фактически занятого массивом. Функция возвращает новый дескриптор гнезда (nsd), отличный от дескриптора sd. Процесс-сервер может продолжать слежение за состоянием объявленного гнезда, поддерживая связь с клиентом по отдельному каналу (Рисунок 11.19).
Функции send и recv выполняют передачу данных через подключенное гнездо. Синтаксис вызова функции send:
count = send(sd, msg, length, flags);
где sd — дескриптор гнезда, msg — указатель на посылаемые данные, length размер данных, count — количество фактически переданных байт. Параметр flags может содержать значение SOF_OOB (послать данные out-of-band — "через таможню"), если посылаемые данные не учитываются в общем информационном обмене между взаимодействующими процессами. Программа удаленной регистрации, например, может послать out-of-band сообщение, имитирующее нажатие на клавиатуре терминала клавиши "delete". Синтаксис вызова системной функции recv:
count = recv(sd, buf, length, flags);
где buf — массив для приема данных, length — ожидаемый объем данных, count количество байт, фактически переданных пользовательской программе. Флаги (flags) могут быть установлены таким образом, что поступившее сообщение после чтения и анализа его содержимого не будет удалено из очереди, или настроены на получение данных out-of-band. В дейтаграммных версиях указанных функций, sendto и recvfrom, в качестве дополнительных параметров указываются адреса. После выполнения подключения к гнездам потокового типа процессы могут вместо функций send и recv использовать функции read и write. Таким образом, согласовав тип протокола, серверы могли бы порождать процессы, работающие только с функциями read и write, словно имеют дело с обычными файлами.
Функция shutdown закрывает гнездовую связь:
shutdown(sd, mode)
где mode указывает, какой из сторон (посылающей, принимающей или обеим вместе) отныне запрещено участие в процессе передачи данных. Функция сообщает используемому протоколу о завершении сеанса сетевого взаимодействия, оставляя, тем не менее, дескрипторы гнезд в неприкосновенности. Освобождается дескриптор гнезда только в результате выполнения функции close.
Системная функция getsockname получает имя гнездовой связи, установленной ранее с помощью функции bind:
getsockname(sd, name, length);
Функции getsockopt и setsockopt получают и устанавливают значения различных связанных с гнездом параметров в соответствии с типом домена и протокола.
Рассмотрим обслуживающую программу, представленную на Рисунке 11.20. Процесс создает в домене "UNIX system" гнездо потокового типа и присваивает ему имя sockname. Затем с помощью функции listen устанавливается длина очереди поступающих сообщений и начинается цикл ожидания поступления запросов. Функция accept приостанавливает свое выполнение до тех пор, пока протоколом не будет зарегистрирован запрос на подключение к гнезду с означенным именем; после этого функция завершается, возвращая поступившему запросу новый дескриптор гнезда. Процесс-сервер порождает потомка, через которого будет поддерживаться связь с процессом-клиентом; родитель и потомок при этом закрывают свои дескрипторы, чтобы они не становились помехой для коммуникационного траффика другого процесса. Процесс-потомок ведет разговор с клиентом и завершается после выхода из функции read. Процесс-сервер возвращается к началу цикла и ждет поступления следующего запроса на подключение.
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/socket.h›
main() {
int sd, ns;
char buf[256];
struct sockaddr sockaddr;
int fromlen;
sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
/* имя гнезда — не может включать пустой символ */
bind(sd, "sockname", sizeof("sockname") - 1);
listen(sd, 1);
for (;;) {
ns = accept(sd, &sockaddr, &fromlen);
if (fork() == 0) { /* потомок */
close(sd);
read(ns, buf, sizeof(buf));
printf("сервер читает %s'\n",buf);
exit();
}
close(ns);
}
}
Рисунок 11.20. Процесс-сервер в домене "UNIX system"
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/socket.h›
main() {
int sd, ns;
char buf[256];
struct sockaddr sockaddr;
int fromlen;
sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
/* имя в запросе на подключение не может включать пустой символ */
if (connect(sd, "sockname", sizeof("sockname") - 1) == -1) exit();
write(sd, "hi guy", 6);}
Рисунок 11.21. Процесс-клиент в домене "UNIX system"
На Рисунке 11.21 показан пример процесса-клиента, ведущего общение с сервером. Клиент создает гнездо в том же домене, что и сервер, и посылает запрос на подключение к гнезду с именем sockname. В результате подключения процесс-клиент получает виртуальный канал связи с сервером. В рассматриваемом примере клиент передает одно сообщение и завершается.
Если сервер обслуживает процессы в сети, указание о том, что гнездо принадлежит домену "Internet", можно сделать следующим образом:
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
и связаться с сетевым адресом, полученным от сервера. В системе BSD имеются библиотечные функции, выполняющие эти действия. Второй параметр вызываемой клиентом функции connect содержит адресную информацию, необходимую для идентификации машины в сети (или адреса маршрутов посылки сообщений через промежуточные машины), а также дополнительную информацию, идентифицирующую приемное гнездо машины-адресата. Если серверу нужно одновременно следить за состоянием сети и выполнением локальных процессов, он использует два гнезда и с помощью функции select определяет, с каким клиентом устанавливается связь в данный момент.
11.5 ВЫВОДЫ
Мы рассмотрели несколько форм взаимодействия процессов. Первой формой, положившей начало обсуждению, явилась трассировка процессов — взаимодействие двух процессов, выступающее в качестве полезного средства отладки программ. При всех своих преимуществах трассировка процессов с помощью функции ptrace все же достаточно дорогостоящее и примитивное мероприятие, поскольку за один сеанс функция способна передать строго ограниченный объем данных, требуется большое количество переключений контекста, взаимодействие ограничивается только формой отношений родитель-потомок, и наконец, сама трассировка производится только по обоюдному согласию участвующих в ней процессов. В версии V системы UNIX имеется пакет взаимодействия процессов (IPC), включающий в себя механизмы обмена сообщениями, работы с семафорами и разделения памяти. К сожалению, все эти механизмы имеют узкоспециальное назначение, не имеют хорошей стыковки с другими элементами операционной системы и не действуют в сети. Тем не менее, они используются во многих приложениях и по сравнению с другими схемами отличаются более высокой эффективностью.
Система UNIX поддерживает широкий спектр вычислительных сетей. Традиционные методы согласования протоколов в сильной степени полагаются на помощь системной функции ioctl, однако в разных типах сетей они реализуются по-разному. В системе BSD имеются системные функции для работы с гнездами, поддерживающие более универсальную структуру сетевого взаимодействия. В будущем в версию V предполагается включить описанный в главе 10 потоковый механизм, повышающий согласованность работы в сети.
Система UNIX поддерживает широкий спектр вычислительных сетей. Традиционные методы согласования протоколов в сильной степени полагаются на помощь системной функции ioctl, однако в разных типах сетей они реализуются по-разному. В системе BSD имеются системные функции для работы с гнездами, поддерживающие более универсальную структуру сетевого взаимодействия. В будущем в версию V предполагается включить описанный в главе 10 потоковый механизм, повышающий согласованность работы в сети.
11.6 УПРАЖНЕНИЯ
1. Что произойдет в том случае, если в программе debug будет отсутствовать вызов функции wait (Рисунок 11.3)? (Намек: возможны два исхода.)
2. С помощью функции ptrace отладчик считывает данные из пространства трассируемого процесса по одному слову за одну операцию. Какие изменения следует произвести в ядре операционной системы для того, чтобы увеличить количество считываемых слов? Какие изменения при этом необходимо сделать в самой функции ptrace?
3. Расширьте область действия функции ptrace так, чтобы в качестве параметра pid можно было указывать идентификатор процесса, не являющегося потомком текущего процесса. Подумайте над вопросами, связанными с защитой информации: При каких обстоятельствах процессу может быть позволено читать данные из адресного пространства другого, произвольного процесса? При каких обстоятельствах разрешается вести запись в адресное пространство другого процесса?
4. Организуйте из функций работы с сообщениями библиотеку пользовательского уровня с использованием обычных файлов, поименованных каналов и элементов блокировки. Создавая очередь сообщений, откройте управляющий файл для записи в него информации о состоянии очереди; защитите файл с помощью средств захвата файлов и других удобных для вас механизмов. Посылая сообщение данного типа, создавайте поименованный канал для всех сообщений этого типа, если такого канала еще не было, и передавайте сообщение через него (с подсчетом переданных байт). Управляющий файл должен соотносить тип сообщения с именем поименованного канала. При чтении сообщений управляющий файл направляет процесс к соответствующему поименованному каналу. Сравните эту схему с механизмом, описанным в настоящей главе, по эффективности, сложности реализации и функциональным возможностям.
5. Какие действия пытается выполнить программа, представленная на Рисунке 11.22?
*6. Напишите программу, которая подключала бы область разделяемой памяти слишком близко к вершине стека задачи и позволяла бы стеку при увеличении пересекать границу разделяемой области. В какой момент произойдет фатальная ошибка памяти?
7. Используйте в программе, представленной на Рисунке 11.14, флаг IPC_NOWAIT, реализуя условный тип семафора. Продемонстрируйте, как за счет этого можно избежать возникновения взаимных блокировок.
8. Покажите, как операции над семафорами типа P и V реализуются при работе с поименованными каналами. Как бы вы реализовали операцию P условного типа?
9. Составьте программы захвата ресурсов, использующие (а) поименованные каналы, (б) системные функции creat и unlink, (в) функции обмена сообщениями. Проведите сравнительный анализ их эффективности.
10. На практических примерах работы с поименованными каналами сравните эффективность использования функций обмена сообщениями, с одной стороны, с функциями read и write, с другой.
11. Сравните на конкретных программах скорость передачи данных при работе с разделяемой памятью и при использовании механизма обмена сообщениями. Программы, использующие разделяемую память, для синхронизации завершения операций чтения-записи должны опираться на семафоры.
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/ipc.h›
#include ‹sys/msg.h›
#define ALLTYPES 0
main() {
struct msgform {
long mtype;
char mtext[1024];
} msg;
register unsigned int id;
for (id = 0; ; id++) while (msgrcv(id, &msg, 1024, ALLTYPES, IPC_NOWAIT) › 0);
}
Рисунок 11.22
2. С помощью функции ptrace отладчик считывает данные из пространства трассируемого процесса по одному слову за одну операцию. Какие изменения следует произвести в ядре операционной системы для того, чтобы увеличить количество считываемых слов? Какие изменения при этом необходимо сделать в самой функции ptrace?
3. Расширьте область действия функции ptrace так, чтобы в качестве параметра pid можно было указывать идентификатор процесса, не являющегося потомком текущего процесса. Подумайте над вопросами, связанными с защитой информации: При каких обстоятельствах процессу может быть позволено читать данные из адресного пространства другого, произвольного процесса? При каких обстоятельствах разрешается вести запись в адресное пространство другого процесса?
4. Организуйте из функций работы с сообщениями библиотеку пользовательского уровня с использованием обычных файлов, поименованных каналов и элементов блокировки. Создавая очередь сообщений, откройте управляющий файл для записи в него информации о состоянии очереди; защитите файл с помощью средств захвата файлов и других удобных для вас механизмов. Посылая сообщение данного типа, создавайте поименованный канал для всех сообщений этого типа, если такого канала еще не было, и передавайте сообщение через него (с подсчетом переданных байт). Управляющий файл должен соотносить тип сообщения с именем поименованного канала. При чтении сообщений управляющий файл направляет процесс к соответствующему поименованному каналу. Сравните эту схему с механизмом, описанным в настоящей главе, по эффективности, сложности реализации и функциональным возможностям.
5. Какие действия пытается выполнить программа, представленная на Рисунке 11.22?
*6. Напишите программу, которая подключала бы область разделяемой памяти слишком близко к вершине стека задачи и позволяла бы стеку при увеличении пересекать границу разделяемой области. В какой момент произойдет фатальная ошибка памяти?
7. Используйте в программе, представленной на Рисунке 11.14, флаг IPC_NOWAIT, реализуя условный тип семафора. Продемонстрируйте, как за счет этого можно избежать возникновения взаимных блокировок.
8. Покажите, как операции над семафорами типа P и V реализуются при работе с поименованными каналами. Как бы вы реализовали операцию P условного типа?
9. Составьте программы захвата ресурсов, использующие (а) поименованные каналы, (б) системные функции creat и unlink, (в) функции обмена сообщениями. Проведите сравнительный анализ их эффективности.
10. На практических примерах работы с поименованными каналами сравните эффективность использования функций обмена сообщениями, с одной стороны, с функциями read и write, с другой.
11. Сравните на конкретных программах скорость передачи данных при работе с разделяемой памятью и при использовании механизма обмена сообщениями. Программы, использующие разделяемую память, для синхронизации завершения операций чтения-записи должны опираться на семафоры.
#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/ipc.h›
#include ‹sys/msg.h›
#define ALLTYPES 0
main() {
struct msgform {
long mtype;
char mtext[1024];
} msg;
register unsigned int id;
for (id = 0; ; id++) while (msgrcv(id, &msg, 1024, ALLTYPES, IPC_NOWAIT) › 0);
}
Рисунок 11.22
ГЛАВА 12. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
В классической постановке для системы UNIX предполагается использование однопроцессорной архитектуры, состоящей из одного ЦП, памяти и периферийных устройств. Многопроцессорная архитектура, напротив, включает в себя два и более ЦП, совместно использующих общую память и периферийные устройства (Рисунок 12.1), располагая большими возможностями в увеличении производительности системы, связанными с одновременным исполнением процессов на разных ЦП. Каждый ЦП функционирует независимо от других, но все они работают с одним и тем же ядром операционной системы. Поведение процессов в такой системе ничем не отличается от поведения в однопроцессорной системе — с сохранением семантики обращения к каждой системной функции — но при этом они могут открыто перемещаться с одного процессора на другой. Хотя, к сожалению, это не приводит к снижению затрат процессорного времени, связанного с выполнением процесса. Отдельные многопроцессорные системы называются системами с присоединенными процессорами, поскольку в них периферийные устройства доступны не для всех процессоров. За исключением особо оговоренных случаев, в настоящей главе не проводится никаких различий между системами с присоединенными процессорами и остальными классами многопроцессорных систем.
Параллельная работа нескольких процессоров в режиме ядра по выполнению различных процессов создает ряд проблем, связанных с сохранением целостности данных и решаемых благодаря использованию соответствующих механизмов защиты. Ниже будет показано, почему классический вариант системы UNIX не может быть принят в многопроцессорных системах без внесения необходимых изменений, а также будут рассмотрены два варианта, предназначенные для работы в указанной среде.
Рисунок 12.1. Многопроцессорная конфигурация
Параллельная работа нескольких процессоров в режиме ядра по выполнению различных процессов создает ряд проблем, связанных с сохранением целостности данных и решаемых благодаря использованию соответствующих механизмов защиты. Ниже будет показано, почему классический вариант системы UNIX не может быть принят в многопроцессорных системах без внесения необходимых изменений, а также будут рассмотрены два варианта, предназначенные для работы в указанной среде.
12.1 ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С МНОГОПРОЦЕССОРНЫМИ СИСТЕМАМИ
В главе 2 мы говорили о том, что защита целостности структур данных ядра системы UNIX обеспечивается двумя способами: ядро не может выгрузить один процесс и переключиться на контекст другого, если работа производится в режиме ядра, кроме того, если при выполнении критического участка программы обработчик возникающих прерываний может повредить структуры данных ядра, все возникающие прерывания тщательно маскируются. В многопроцессорной системе, однако, если два и более процессов выполняются одновременно в режиме ядра на разных процессорах, нарушение целостности ядра может произойти даже несмотря на принятие защитных мер, с другой стороны, в однопроцессорной системе вполне достаточных.
struct queue {} *bp, *bp1;
bp1-›forp = bp-›forp;
bp1-›backp = bp;
bp-›forp=bp1;
/* рассмотрите возможность переключения контекста в этом месте */
bp1-›forp-›backp =b p1;
Рисунок 12.2. Включение буфера в список с двойными указателями
В качестве примера рассмотрим фрагмент программы из главы 2 (Рисунок 12.2), в котором новая структура данных (указатель bp1) помещается в список после существующей структуры (указатель bp). Предположим, что этот фрагмент выполняется одновременно двумя процессами на разных ЦП, причем процессор A пытается поместить вслед за структурой bp структуру bpA, а процессор B структуру bpB. По поводу сопоставления быстродействия процессоров не приходится делать никаких предположений: возможен даже наихудший случай, когда процессор B исполняет 4 команды языка Си, прежде чем процессор A исполнит одну. Пусть, например, выполнение программы процессором A приостанавливается в связи с обработкой прерывания. В результате, даже несмотря на блокировку остальных прерываний, целостность данных будет поставлена под угрозу (в главе 2 этот момент уже пояснялся).
Ядро обязано удостовериться в том, что такого рода нарушение не сможет произойти. Если вопрос об опасности возникновения нарушения целостности оставить открытым, как бы редко подобные нарушения ни случались, ядро утратит свою неуязвимость и его поведение станет непредсказуемым. Избежать этого можно тремя способами:
1. Исполнять все критические операции на одном процессоре, опираясь на стандартные методы сохранения целостности данных в однопроцессорной системе;
2. Регламентировать доступ к критическим участкам программы, используя элементы блокирования ресурсов;
3. Устранить конкуренцию за использование структур данных путем соответствующей переделки алгоритмов.
Первые два способа здесь мы рассмотрим подробнее, третьему способу будет посвящено отдельное упражнение.
struct queue {} *bp, *bp1;
bp1-›forp = bp-›forp;
bp1-›backp = bp;
bp-›forp=bp1;
/* рассмотрите возможность переключения контекста в этом месте */
bp1-›forp-›backp =b p1;
Рисунок 12.2. Включение буфера в список с двойными указателями
В качестве примера рассмотрим фрагмент программы из главы 2 (Рисунок 12.2), в котором новая структура данных (указатель bp1) помещается в список после существующей структуры (указатель bp). Предположим, что этот фрагмент выполняется одновременно двумя процессами на разных ЦП, причем процессор A пытается поместить вслед за структурой bp структуру bpA, а процессор B структуру bpB. По поводу сопоставления быстродействия процессоров не приходится делать никаких предположений: возможен даже наихудший случай, когда процессор B исполняет 4 команды языка Си, прежде чем процессор A исполнит одну. Пусть, например, выполнение программы процессором A приостанавливается в связи с обработкой прерывания. В результате, даже несмотря на блокировку остальных прерываний, целостность данных будет поставлена под угрозу (в главе 2 этот момент уже пояснялся).
Ядро обязано удостовериться в том, что такого рода нарушение не сможет произойти. Если вопрос об опасности возникновения нарушения целостности оставить открытым, как бы редко подобные нарушения ни случались, ядро утратит свою неуязвимость и его поведение станет непредсказуемым. Избежать этого можно тремя способами:
1. Исполнять все критические операции на одном процессоре, опираясь на стандартные методы сохранения целостности данных в однопроцессорной системе;
2. Регламентировать доступ к критическим участкам программы, используя элементы блокирования ресурсов;
3. Устранить конкуренцию за использование структур данных путем соответствующей переделки алгоритмов.
Первые два способа здесь мы рассмотрим подробнее, третьему способу будет посвящено отдельное упражнение.
12.2 ГЛАВНЫЙ И ПОДЧИНЕННЫЙ ПРОЦЕССОРЫ
Систему с двумя процессорами, один из которых — главный (master) — может работать в режиме ядра, а другой — подчиненный (slave) — только в режиме задачи, впервые реализовал на машинах типа VAX 11/780 Гобл (см. [Goble 81]). Эта система, реализованная вначале на двух машинах, получила свое дальнейшее развитие в системах с одним главным и несколькими подчиненными процессорами. Главный процессор несет ответственность за обработку всех обращений к операционной системе и всех прерываний. Подчиненные процессоры ведают выполнением процессов в режиме задачи и информируют главный процессор о всех производимых обращениях к системным функциям.
Выбор процессора, на котором будет выполняться данный процесс, производится в соответствии с алгоритмом диспетчеризации (Рисунок 12.3). В соответствующей записи таблицы процессов появляется новое поле, в которое записывается идентификатор выбранного процессора; предположим для простоты, что он показывает, является ли процессор главным или подчиненным. Когда процесс производит обращение к системной функции, выполняясь на подчиненном процессоре, подчиненное ядро переустанавливает значение поля идентификации процессора таким образом, чтобы оно указывало на главный процессор, и переключает контекст на другие процессы (Рисунок 12.4). Главное ядро запускает на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди тех процессов, которые должны выполняться на главном процессоре. Когда выполнение системной функции завершается, поле идентификации процессора перенастраивается обратно, и процесс вновь возвращается на подчиненный процессор.
Если процессы должны выполняться на главном процессоре, желательно, чтобы главный процессор обрабатывал их как можно скорее и не заставлял их ждать своей очереди чересчур долго. Похожая мотивировка приводится в объяснение выгрузки процесса из памяти в однопроцессорной системе после выхода из системной функции с освобождением соответствующих ресурсов для выполнения более насущных счетных операций. Если в тот момент, когда подчиненный процессор делает запрос на исполнение системной функции, главный процесс выполняется в режиме задачи, его выполнение будет продолжаться до следующего переключения контекста. Главный процессор реагировал бы гораздо быстрее, если бы подчиненный процессор устанавливал при этом глобальный флаг; проверяя установку флага во время обработки очередного прерывания по таймеру, главный процессор произвел бы в итоге переключение контекста максимум через один таймерный тик. С другой стороны, подчиненный процессор мог бы прервать работу главного и заставить его переключить контекст немедленно, но данная возможность требует специальной аппаратной реализации.
Выбор процессора, на котором будет выполняться данный процесс, производится в соответствии с алгоритмом диспетчеризации (Рисунок 12.3). В соответствующей записи таблицы процессов появляется новое поле, в которое записывается идентификатор выбранного процессора; предположим для простоты, что он показывает, является ли процессор главным или подчиненным. Когда процесс производит обращение к системной функции, выполняясь на подчиненном процессоре, подчиненное ядро переустанавливает значение поля идентификации процессора таким образом, чтобы оно указывало на главный процессор, и переключает контекст на другие процессы (Рисунок 12.4). Главное ядро запускает на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди тех процессов, которые должны выполняться на главном процессоре. Когда выполнение системной функции завершается, поле идентификации процессора перенастраивается обратно, и процесс вновь возвращается на подчиненный процессор.
Если процессы должны выполняться на главном процессоре, желательно, чтобы главный процессор обрабатывал их как можно скорее и не заставлял их ждать своей очереди чересчур долго. Похожая мотивировка приводится в объяснение выгрузки процесса из памяти в однопроцессорной системе после выхода из системной функции с освобождением соответствующих ресурсов для выполнения более насущных счетных операций. Если в тот момент, когда подчиненный процессор делает запрос на исполнение системной функции, главный процесс выполняется в режиме задачи, его выполнение будет продолжаться до следующего переключения контекста. Главный процессор реагировал бы гораздо быстрее, если бы подчиненный процессор устанавливал при этом глобальный флаг; проверяя установку флага во время обработки очередного прерывания по таймеру, главный процессор произвел бы в итоге переключение контекста максимум через один таймерный тик. С другой стороны, подчиненный процессор мог бы прервать работу главного и заставить его переключить контекст немедленно, но данная возможность требует специальной аппаратной реализации.