PROGRAMMIEREN MIT UNIX/LINUX-SYSTEMAUFRUFEN

Transkript

1 PROGRAMMIEREN MIT UNIX/LINUX-SYSTEMAUFRUFEN UNIX/Linux-Interprozesskommunikation 6. UNIX/Linux Shared Memory ( gemeinsame Speicherbereiche ) Wintersemester 2016/17

2 UNIX/Linux-IPC-Mechanismen Nachrichtenbasierter Informationsaustausch: Nachrichten(warte)schlangen ( message queues ) System V IPC 2. Sockets BSD-UNIX Speicherbasierter Informationsaustausch: 4. Gemeinsame Speicherbereiche ( shared memory ) System V IPC 5. Pipes (Named Pipes und FIFOs) Version 7 Signale: 6. Asynchrone UNIX-Signale Version 7 Synchronisationsmechanismen: 7. UNIX-Semaphore System V IPC ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-2

3 Speicherbasierter Informationsaustausch Kommunikation über Shared Memory ist Form des Speicher basierten Informationsaustausches Prozess 1 Befehle Prozess 2 Befehle Daten Daten Prinzip: gemeinsame Daten Zugriff auf gemeinsame Speicherbereiche (und damit auf gemeinsame Daten) Implementierung (Realisierung): 2 oder mehr Prozesse haben einen Teil des Datenbereichs gemeinsam ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-3

4 UNIX/Linux Shared Memory: Systemaufrufe 1. shmget(...) legt neues Speichersegment an oder greift auf existierendes Speichersegment zu 2. shmat(...) hängt Speichersegment an Adressraum des aufrufenden Prozesses an ( shared memory attach ) 3. shmdt(...) entfernt Speichersegment aus Adressraum des aufrufenden Prozesses ( shared memory detach ) 4. shmctl(...) führt verschiedene Steuerungsfunktionen aus ( shared memory control ) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-4

5 Shared Memory: shmget(..) legt neues Speichersegment an oder greift auf existierendes Speicher- Segment zu Verwendung im Programm (Prinzip): int <id_shm>; 8 <id_shm> = shmget(<key>, <size>, <flag>); Konkretes Beispiel: int id; 8 id = shmget(15, 100, IPC_CREATE 0700); Parameter Symbol Typ Bedeutung Wert <id_shm> int Interpretation Rückkehrwert 0 O.K. auf <id_shm>: Identifikator des Speichersegments -1 Feh- Systemaufruf fehlgeschlagen ler <key> long numerischer Eintrag: Schlüssel IPC_PRIVATE UNIX erzeugt Schlüssel selbst ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-5

6 Shared Memory: shmget(..) legt neues Speichersegment an oder greift auf existierendes Speicher-Segment zu Verwendung im Programm (Prinzip): int <id_shm>; 8 <id_shm> = shmget(<key>, <size>, <flag>); Konkretes Beispiel: int id; 8 id = shmget(15, 100, IPC_CREATE 0700); Parameter Symbol Typ Bedeutung Interpretation <size> int Größe des Anzahl Byte Speichersegments <flag> int Wirkung des Aufrufs Beispieleintrag: IPC_CREATE 0644 Anlegen neuer Warteschlange mit Zugriffsrechten: rw r - - r - - wichtig: Zugriffsrechte unbedingt spezifizieren Beispieleintrag: 0 (Null) Zugriff auf vorhandenes Segment ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-6

7 Beispielprogramm shmget.c #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> /* Laenge des Segments = Laenge einer integer-variablen */ #define SHM_SEGSIZE sizeof(int) main() { int id_shm; } id_shm = shmget(ipc_private, SHM_SEGSIZE, IPC_CREAT 0644); printf("id_shm = %d\n", id_shm); ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-7

8 Shared Memory: shmat(..) fügt Speichersegment zum Adressraum des aufrufenden Prozesses hinzu Verwendung im Programm (Prinzip): int *<shm_ptr>, <id_shm>; 8 <shm_ptr> = shmat(<id_shm>, <addr>, <flag>); Konkretes Beispiel: int *ptr, id; 8 ptr = shmat(id, 0, 0); Parameter Symbol Typ Bedeutung Wert <shm_ptr> *int Interpretation Rückkehrwert 0 O.K. Pointer auf die Anfangsadresse im Prozess-Adressraum, an die Speichersegment angebunden wurde -1 Feh- Systemaufruf fehlgeschlagen ler <id_shm> int Identifikator identifiziert Speichersegment (= Rückkehrwert des shmget()-aufrufs) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-8

9 Shared Memory: shmat(..) fügt Speichersegment zum Adressraum des aufrufenden Prozesses hinzu Verwendung im Programm (Prinzip): int *<shm_ptr>, <id_shm>; 8 <shm_ptr> = shmat(<id_shm>, <addr>, <flag>); Konkretes Beispiel: int *ptr, id; 8 ptr = shmat(id, 0, 0); Parameter Symbol Typ Bedeutung Interpretation <addr> int * Adresse Adresse im Adressraum des aufrufenden Prozesses, der Segment zugeordnet wird empfohlene Angabe: 0 (NULL) UNIX wählt selbst <flag> int Nutzungsart vorgesehene Nutzungsart des Speichersegments: Möglichkeiten: 0 (NULL) Lesen und Schreiben erlaubt SHM_RDONLY nur Lesen erlaubt ( read only ) (aufrufender Prozess darf nicht schreiben!) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-9

10 Beispielprogramm shmat.c #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #define SHM_SEGSIZE sizeof(int) main() { int id_shm, *shm_ptr; id_shm = shmget(2222, SHM_SEGSIZE, IPC_CREAT 0644); printf("id_shm = %d\n", id_shm); } shm_ptr = shmat(id_shm, 0, 0); printf("shm_ptr = %d\n", shm_ptr); ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-10

11 Shared Memory: shmdt(..) entfernt Speichersegment aus Adressraum des aufrufenden Prozesses Verwendung im Programm (Prinzip): int <result>, *<shm_ptr>; 8 <result> = shmdt(<shm_ptr>); Konkretes Beispiel: int x, *ptr; 8 x = shmat(ptr); Parameter Symbol Typ Bedeutung Wert Interpretation <result> int Rückkehrwert 0 O.K. Systemaufruf erfolgreich -1 Feh- Systemaufruf fehlgeschlagen ler <shm_ptr> *int Pointer hier zur Identifikation des Speicher- Segments verwendet ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-11

12 Struktur shmid_ds Verwaltungsstruktur für jedes Shared-Memory-Segment struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* Zugriffsberechtigungen, Eigentümer, Gruppe etc. */ struct anon_map *shm_amp; /* Zeiger auf anon -Tabelle für dieses Segment */ int shm_segsz; /* Größe des Segments in Byte */ unsigned short shm_lkcnt; /* Anzahl der Sperren auf dieses Segment */ pid_t shm_lpid; /* Prozess-Nr. für letztes shmop(..) */ pid_t msg_cpid; /* Prozess-Nr. des Erzeugers */ unsigned long shm_nattch; /* Anzahl Prozesse, die Segment verwenden */ unsigned short shm_cnattch; /* gleicher Wert wie auf shm_nattch, nur f. shminfo */ }; time_t shm_atime; /* Zeit des letzten shmat(..) */ time_t shm_dtime; /* Zeit des letzten shmdt(..) */ time_t msg_ctime; /* Zeit, zu der diese Struktur zuletzt geändert */ ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-12

13 Struktur ipc_perm ( ipc permissions ) spezifiziert Zugriffsrechte (wie bekannt) struct ipc_perm { uid_t uid; /* effektive Benutzernummer des Eigentümers */ gid_t gid; /* effektive Gruppennummer des Eigentümers */ uid_t cuid; /* effektive Benutzernummer des Erzeugers */ gid_t cgid; /* effektive Gruppennummer des Erzeugers */ }; mode_t mode; /* Zugriffsmodus */ unsigned long seq; /* Zähler der Verwendung der IPC-Struktur */ key_t key; /* Schlüssel */ ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-13

14 Beispielprogramm shm-ohne-synch.c #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include <sys/wait.h> #define MAXCOUNT #define NUM_CHILDREN 4 #define SHM_SEGSIZE sizeof(int) main() { int i, id_shm, *shm_ptr, result, count = 0; int pid[num_children ]; id_shm = shmget(0x2222, SHM_SEGSIZE, IPC_CREAT 0644 ); printf("id_shm = %d\n", id_shm); shm_ptr = (int *)shmat(id_shm, 0, 0); printf("shm_ptr = %p\n", shm_ptr); *shm_ptr = 0; printf("inhalt des Segments *shm_ptr = %d\n", *shm_ptr);... ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-14

15 Beispielprogramm shm-ohne-synch.c... for (i = 0; i < NUM_CHILDREN; i++) { pid[i] = fork(); printf("%d-ter Kindprozess erzeugt\n", i); if (pid[i] == -1) { printf("%d-ter Kindprozess nicht erzeugbar!\n", i); return 0; } if (pid[i] == 0) { while (*shm_ptr < MAXCOUNT ) { *shm_ptr += 1; count++; } printf("kind %d erhöhte Wert im Segment um %d\n", i, count); result = shmdt(shm_ptr); printf("kind %d: result = %d\n", i, result); return 0; } } for ( i = 0; i < NUM_CHILDREN; i++) waitpid( pid[i], NULL, 0 ); printf("inhalt des Speichersegments am Ende: \ %d - MAXCOUNT = %d\n,*shm_ptr, MAXCOUNT); } ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-15

16 Shared Memory: shmctl(..) führt verschiedene Operationen auf einem Shared-Memory-Segment aus Aufruf im Programmtext: <result> = shmctl(<id_shm>, <cmd>, <*buf>); result (int) >0 Systemaufruf erfolgreich -1 Systemaufruf fehlgeschlagen id_shm (int) Identifikator des Speichersegments, siehe shmget(...) cmd (int) Kommando - siehe nächste Folie! *buf (struct shmid_ds) Zeiger auf eine Struktur vom Typ shmid_ds im Nutzeradressraum als Aufnahmebereich für Werte aus der msqid_ds-kernstruktur (vergleiche message queues ) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-16

17 Shared Memory: shmctl(..) Aufruf im Programmtext: <result> = shmctl(<id_shm>, <cmd>, <*buf>);... cmd (int) Befehl zur Ausführung auf dem über id_shm identifizierten Shared-Memory-Segment Möglichkeiten: IPC_STAT: kopiert shmid_ds -Struktur aus UNIX-Kern in Anwenderpuffer, der durch *buf adressiert IPC_SET: kopiert aus Nutzerstruktur in Kernstruktur IPC_RMID: löscht Speichersegment SHM_LOCK: Shared-Memory-Segment im Arbeitsspeicher sperren (nur Superuser!) SHM_UNLOCK: Speichersegment entsperren (nur Superuser!) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-17

18 Aufgabenstellung (Anregungen) 1. Erzeugen Sie mit shmget(..) Programmbeispiel: shmget.c ein neues Speichersegment, und untersuchen Sie mit ipcs (und geeigneten Parametern)wie die zugehörige Verwaltungsstruktur shmid_dsinitialisiert wird! 2. Untersuchen Sie die Wirkung unterschiedlicher Parameterwerte für shmget(..)! Was passiert, wenn keine Zugriffsrechte angegeben sind was wenn nur Zugriffsrechte spezifiziert sind? 3. Verwenden Sie shmat(..) Programmbeispiel: shmat.c um das erzeugte Speichersegment an Ihren Prozess anzufügen! Studieren Sie wieder mit ipcs (und geeigneten Parametern)die Auswirkungen auf die Verwaltungsstruktur shmid_ds! Experimentieren Sie ebenfalls mit unterschiedlichen Parameterwerten! 4. Beschäftigen Sie sich mit dem Programm shm-ohne-synch.c! Verschaffen Sie sich Klarheit darüber, was bei der Ausführung passieren wird! Führen Sie dann das Programm mehrfach aus und vergleichen Sie die Resultate! Interpretieren Sie! 5. Löschen Sie bitte alle von Ihnen erzeugten IPC-Strukturen (mit ipcrm bzw. shmctl(..) )! ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-18

19 Kommando ipcs (vollständig) Benutzung: ipcs [-asmq] [-tclup] ipcs [-smq] -i <id> siehe unten Ausg. nur für durch Identifizierer <id> spez. Ressource ipcs -h -h help (Infos über Kommandobenutzung) -m shared memory segments -q message queues -s semaphore arrays -a all (default, d.h. gleiche Ausgabe auch ohne Angabe von -a ) -t time (alle Zeitangaben) -c creator (Erzeuger und Eigentümer der Strukturen) -p (nicht für Semaphore) -u summary (zusammenfassende Informationen) -l limits (Maximalwerte für diese UNIX-Implementation) ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-19

20 Kommando ipcrm (vollständig) Benutzung: ipcrm [-M <key> -m <id> -Q <key> -q <id> -S <key> -s <id>] veraltete Form auch: ipcrm [shm msg sem ] <id>... -M, -m shared memory segments -Q, -q message queues -S, -s semaphore arrays ws 2016/17 H.-A. Schindler Folie: 6-20