Реферат: Основные функции и компоненты ядра ОС UNIX

Для приема сообщения используется системный вызов msgrcv:

count = msgrcv(id, msg, maxcount, type, flag);

Здесь msg - это указатель на структуру данных в адресном пространстве пользователя, предназначенную для размещения принятого сообщения; maxcount задает размер области данных (массива байтов) в структуре msg; значение type специфицирует тип сообщения, которое желательно принять; значение параметра flag указывает ядру, что следует предпринять, если в указанной очереди сообщений отсутствует сообщение с указанным типом. Возвращаемое значение системного вызова задает реальное число байтов, переданных пользователю.

Выполнение системного вызова, как обычно, начинается с проверки правомочности доступа обращающегося процесса к указанной очереди. Далее, если значением параметра type является нуль, ядро выбирает первое сообщение из указанной очереди сообщений и копирует его в заданную пользовательскую структуру данных. После этого корректируется информация, содержащаяся в заголовке очереди (число сообщений, суммарный размер и т.д.). Если какие-либо процессы были отложены по причине переполнения очереди сообщений, то все они активизируются. В случае, если значение параметра maxcount оказывается меньше реального размера сообщения, ядро не удаляет сообщение из очереди и возвращает код ошибки. Однако, если задан флаг MSG_NOERROR, то выборка сообщения производится, и в буфер пользователя переписываются первые maxcount байтов сообщения.

Путем задания соответствующего значения параметра type пользовательский процесс может потребовать выборки сообщения некоторого конкретного типа. Если это значение является положительным целым числом, ядро выбирает из очереди сообщений первое сообщение с таким же типом. Если же значение параметра type есть отрицательное целое число, то ядро выбирает из очереди первое сообщение, значение типа которого меньше или равно абсолютному значению параметра type.

Во всех случаях, если в указанной очереди отсутствуют сообщения, соответствующие спецификации параметра type, ядро откладывает (усыпляет) обратившийся процесс до появления в очереди требуемого сообщения. Однако, если в параметре flag задано значение флага IPC_NOWAIT, то процесс немедленно оповещается об отсутствии сообщения в очереди путем возврата кода ошибки.

Системный вызов

msgctl(id, cmd, mstatbuf);

служит для опроса состояния описателя очереди сообщений, изменения его состояния (например, изменения прав доступа к очереди) и для уничтожения указанной очереди сообщений (детали мы опускаем).

Программные каналы

Как мы уже неоднократно отмечали, традиционным средством взаимодействия и синхронизации процессов в ОС UNIX являются программные каналы (pipes). Теоретически программный канал позволяет взаимодействовать любому числу процессов, обеспечивая дисциплину FIFO (first-in-first-out). Другими словами, процесс, читающий из программного канала, прочитает те данные, которые были записаны в программный канал наиболее давно. В традиционной реализации программных каналов для хранения данных использовались файлы. В современных версиях ОС UNIX для реализации программных каналов применяются другие средства IPC (в частности, очереди сообщений).

Различаются два вида программных каналов - именованные и неименованные. Именованный программный канал может служить для общения и синхронизации произвольных процессов, знающих имя данного программного канала и имеющих соответствующие права доступа. Неименованным программным каналом могут пользоваться только создавший его процесс и его потомки (необязательно прямые).

Для создания именованного программного канала (или получения к нему доступа) используется обычный файловый системный вызов open. Для создания же неименованного программного канала существует специальный системный вызов pipe (исторически более ранний). Однако после получения соответствующих дескрипторов оба вида программных каналов используются единообразно с помощью стандартных файловых системных вызовов read, write и close.

Системный вызов pipe имеет следующий синтаксис:

pipe(fdptr);

где fdptr - это указатель на массив из двух целых чисел, в который после создания неименованного программного канала будут помещены дескрипторы, предназначенные для чтения из программного канала (с помощью системного вызова read) и записи в программный канал (с помощью системного вызова write). Дескрипторы неименованного программного канала - это обычные дескрипторы файлов, т.е. такому программному каналу соответствуют два элемента таблицы открытых файлов процесса. Поэтому при последующем использовании системных вызовов read и write процесс совершенно не обязан отличать случай использования программных каналов от случая использования обычных файлов (собственно, на этом и основана идея перенаправления ввода/вывода и организации конвейеров).

Для создания именованных программных каналов (или получения доступа к уже существующим каналам) используется обычный системный вызов open. Основным отличием от случая открытия обычного файла является то, что если именованный программный канал открывается на запись, и ни один процесс не открыл тот же программный канал для чтения, то обращающийся процесс блокируется (усыпляется) до тех пор, пока некоторый процесс не откроет данный программный канал для чтения (аналогично обрабатывается открытие для чтения). Повод для использования такого режима работы состоит в том, что, вообще говоря, бессмысленно давать доступ к программному каналу на чтение (запись) до тех пор, пока некоторый другой процесс не обнаружит готовности писать в данный программный канал (соответственно читать из него). Понятно, что если бы эта схема была абсолютной, то ни один процесс не смог бы начать работать с заданным именованным программным каналом (кто-то должен быть первым). Поэтому в числе флагов системного вызова open имеется флаг NO_DELAY, задание которого приводит к тому, что именованный программный канал открывается независимо от наличия соответствующего партнера.

Запись данных в программный канал и чтение данных из программного канала (независимо от того, именованный он или неименованный) выполняются с помощью системных вызовов read и write. Отличие от случая использования обычных файлов состоит лишь в том, что при записи данные помещаются в начало канала, а при чтении выбираются (освобождая соответствующую область памяти) из конца канала. Как всегда, возможны ситуации, когда при попытке записи в программный канал оказывается, что канал переполнен, и тогда обращающийся процесс блокируется, пока канал не разгрузится (если только не указан флаг нежелательности блокировки в числе параметров системного вызова write), или когда при попытке чтения из программного канала оказывается, что канал пуст (или в нем отсутствует требуемое количество байтов информации), и тогда обращающийся процесс блокируется, пока канал не загрузится соответствующим образом (если только не указан флаг нежелательности блокировки в числе параметров системного вызова read).

Окончание работы процесса с программным каналом (независимо от того, именованный он или неименованный) производится с помощью системного вызова close. В основном, действия ядра при закрытии программного канала аналогичны действиям при закрытии обычного файла. Однако имеется отличие в том, что при выполнении последнего закрытия канала по записи все процессы, ожидающие чтения из программного канала (т.е. процессы, обратившиеся к ядру с системным вызовом read и отложенные по причине недостатка данных в канале), активизируются с возвратом кода ошибки из системного вызова. (Это совершенно оправданно в случае неименованных программных каналов: если достоверно известно, что больше нечего читать, то зачем заставлять далее ждать чтения. Для именованных программных каналов это решение не является очевидным, но соответствует общей политике ОС UNIX о раннем предупреждении процессов.)

Программные гнезда (sockets)

Операционная система UNIX с самого начала проектировалась как сетевая ОС в том смысле, что должна была обеспечивать явную возможность взаимодействия процессов, выполняющихся на разных компьютерах, соединенных сетью передачи данных. Главным образом, эта возможность базировалась на обеспечении файлового интерфейса для устройств (включая сетевые адаптеры) на основе понятия специального файла. Другими словами, два или более процессов, располагающихся на разных компьютерах, могли договориться о способе взаимодействия на основе использования возможностей соответствующих сетевых драйверов.

Эти базовые возможности были в принципе достаточными для создания сетевых утилит; в частности, на их основе был создан исходный в ОС UNIX механизм сетевых взаимодействий uucp. Однако организация сетевых взаимодействий пользовательских процессов была затруднительна главным образом потому, что при использовании конкретной сетевой аппаратуры и конкретного сетевого протокола требовалось выполнять множество системных вызовов ioctl, что делало программы зависимыми от специфической сетевой среды. Требовался поддерживаемый ядром механизм, позволяющий скрыть особенности этой среды и позволить единообразно взаимодействовать процессам, выполняющимся на одном компьютере, в пределах одной локальной сети или разнесенным на разные компьютеры территориально распределенной сети. Первое решение этой проблемы было предложено и реализовано в UNIX BSD 4.1 в 1982 г. (вводную информацию см. в п. 2.7.3).

На уровне ядра механизм программных гнезд поддерживается тремя составляющими: компонентом уровня программных гнезд (независящим от сетевого протокола и среды передачи данных), компонентом протокольного уровня (независящим от среды передачи данных) и компонентом уровня управления сетевым устройством (см. рисунок 3.7).

Рис. 3.7. Одна из возможных конфигураций программных гнезд

Допустимые комбинации протоколов и драйверов задаются при конфигурации системы, и во время работы системы их менять нельзя. Легко видеть, что по своему духу организация программных гнезд близка к идее потоков (см. пп. 2.7.1 и 3.4.6), поскольку основана на разделении функций физического управления устройством, протокольных функций и функций интерфейса с пользователями. Однако это менее гибкая схема, поскольку не допускает изменения конфигурации "на ходу".

Взаимодействие процессов на основе программных гнезд основано на модели "клиент-сервер". Процесс-сервер "слушает (listens)" свое программное гнездо, одну из конечных точек двунаправленного пути коммуникаций, а процесс-клиент пытается общаться с процессом-сервером через другое программное гнездо, являющееся второй конечной точкой коммуникационного пути и, возможно, располагающееся на другом компьютере. Ядро поддерживает внутренние соединения и маршрутизацию данных от клиента к серверу.

Программные гнезда с общими коммуникационными свойствами, такими как способ именования и протокольный формат адреса, группируются в домены. Наиболее часто используемыми являются "домен системы UNIX" для процессов, которые взаимодействуют через программные гнезда в пределах одного компьютера, и "домен Internet" для процессов, которые взаимодействуют в сети в соответствии с семейством протоколов TCP/IP (см. п. 2.7.2).

Выделяются два типа программных гнезд - гнезда с виртуальным соединением (в начальной терминологии stream sockets) и датаграммные гнезда (datagram sockets). При использовании программных гнезд с виртуальным соединением обеспечивается передача данных от клиента к серверу в виде непрерывного потока байтов с гарантией доставки. При этом до начала передачи данных должно быть установлено соединение, которое поддерживается до конца коммуникационной сессии. Датаграммные программные гнезда не гарантируют абсолютной надежной, последовательной доставки сообщений и отсутствия дубликатов пакетов данных - датаграмм. Но для использования датаграммного режима не требуется предварительное дорогостоящее установление соединений, и поэтому этот режим во многих случаях является предпочтительным. Система по умолчанию сама обеспечивает подходящий протокол для каждой допустимой комбинации "домен-гнездо". Например, протокол TCP используется по умолчанию для виртуальных соединений, а протокол UDP - для датаграммного способа коммуникаций (информация об этих протоколах представлена в п. 2.7.2).

Для работы с программными гнездами поддерживается набор специальных библиотечных функций (в UNIX BSD это системные вызовы, однако, как мы отмечали в п. 2.7.3, в UNIX System V они реализованы на основе потокового интерфейса TLI). Рассмотрим кратко интерфейсы и семантику этих функций.

Для создания нового программного гнезда используется функция socket:

sd = socket(domain, type, protocol);

где значение параметра domain определяет домен данного гнезда, параметр type указывает тип создаваемого программного гнезда (с виртуальным соединением или датаграммное), а значение параметра protocol определяет желаемый сетевой протокол. Заметим, что если значением параметра protocol является нуль, то система сама выбирает подходящий протокол для комбинации значений параметров domain и type, это наиболее распространенный способ использования функции socket. Возвращаемое функцией значение является дескриптором программного гнезда и используется во всех последующих функциях. Вызов функции close(sd) приводит к закрытию (уничтожению) указанного программного гнезда.

Для связывания ранее созданного программного гнезда с именем используется функция bind:

bind(sd, socknm, socknlen);

Здесь sd - дескриптор ранее созданного программного гнезда, socknm - адрес структуры, которая содержит имя (идентификатор) гнезда, соответствующее требованиям домена данного гнезда и используемого протокола (в частности, для домена системы UNIX имя является именем объекта в файловой системе, и при создании программного гнезда действительно создается файл), параметр socknlen содержит длину в байтах структуры socknm (этот параметр необходим, поскольку длина имени может весьма различаться для разных комбинаций "домен-протокол").

С помощью функции connect процесс-клиент запрашивает систему связаться с существующим программным гнездом (у процесса-сервера):

connect(sd, socknm, socknlen);

Смысл параметров такой же, как у функции bind, однако в качестве имени указывается имя программного гнезда, которое должно находиться на другой стороне коммуникационного канала. Для нормального выполнения функции необходимо, чтобы у гнезда с дескриптором sd и у гнезда с именем socknm были одинаковые домен и протокол. Если тип гнезда с дескриптором sd является датаграммным, то функция connect служит только для информирования системы об адресе назначения пакетов, которые в дальнейшем будут посылаться с помощью функции send; никакие действия по установлению соединения в этом случае не производятся.

Функция listen предназначена для информирования системы о том, что процесс-сервер планирует установление виртуальных соединений через указанное гнездо:

listen(sd, qlength);

Здесь sd - это дескриптор существующего программного гнезда, а значением параметра qlength является максимальная длина очереди запросов на установление соединения, которые должны буферизоваться системой, пока их не выберет процесс-сервер.

Для выборки процессом-сервером очередного запроса на установление соединения с указанным программным гнездом служит функция accept:

nsd = accept(sd, address, addrlen);

Параметр sd задает дескриптор существующего программного гнезда, для которого ранее была выполнена функция listen; address указывает на массив данных, в который должна быть помещена информация, характеризующая имя программного гнезда клиента, со стороны которого поступает запрос на установление соединения; addrlen - адрес, по которому находится длина массива address. Если к моменту выполнения функции accept очередь запросов на установление соединений пуста, то процесс-сервер откладывается до поступления запроса. Выполнение функции приводит к установлению виртуального соединения, а ее значением является новый дескриптор программного гнезда, который должен использоваться при работе через данное соединение. По адресу addrlen помещается реальный размер массива данных, которые записаны по адресу address. Процесс-сервер может продолжать "слушать" следующие запросы на установление соединения, пользуясь установленным соединением.

Для передачи и приема данных через программные гнезда с установленным виртуальным соединением используются функции send и recv:

count = send(sd, msg, length, flags);

count = recv(sd, buf, length, flags);

В функции send параметр sd задает дескриптор существующего программного гнезда с установленным соединением; msg указывает на буфер с данными, которые требуется послать; length задает длину этого буфера. Наиболее полезным допустимым значением параметра flags является значение с символическим именем MSG_OOB, задание которого означает потребность во внеочередной посылке данных. "Внеочередные" сообщения посылаются помимо нормального для данного соединения потока данных, обгоняя все непрочитанные сообщения. Потенциальный получатель данных может получить специальный сигнал и в ходе его обработки немедленно прочитать внеочередные данные. Возвращаемое значение функции равняется числу реально посланных байтов и в нормальных ситуациях совпадает со значением параметра length.

В функции recv параметр sd задает дескриптор существующего программного гнезда с установленным соединением; buf указывает на буфер, в который следует поместить принимаемые данные; length задает максимальную длину этого буфера. Наиболее полезным допустимым значением параметра flags является значение с символическим именем MSG_PEEK, задание которого приводит к переписи сообщения в пользовательский буфер без его удаления из системных буферов. Возвращаемое значение функции является числом байтов, реально помещенных в buf.

Заметим, что в случае использования программных гнезд с виртуальным соединением вместо функций send и recv можно использовать обычные файловые системные вызовы read и write. Для программных гнезд они выполняются абсолютно аналогично функциям send и recv. Это позволяет создавать программы, не зависящие от того, работают ли они с обычными файлами, программными каналами или программными гнездами.

Для посылки и приема сообщений в датаграммном режиме используются функции sendto и recvfrom:

count = sendto(sd, msg, length, flags, socknm, socknlen);

count = recvfrom(sd, buf, length, flags, socknm, socknlen);

Смысл параметров sd, msg, buf и lenght аналогичен смыслу одноименных параметров функций send и recv. Параметры socknm и socknlen функции sendto задают имя программного гнезда, в которое посылается сообщение, и могут быть опущены, если до этого вызывалась функция connect. Параметры socknm и socknlen функции recvfrom позволяют серверу получить имя пославшего сообщение процесса-клиента.

Наконец, для немедленной ликвидации установленного соединения используется системный вызов shutdown:

shutdown(sd, mode);

Вызов этой функции означает, что нужно немедленно остановить коммуникации либо со стороны посылающего процесса, либо со стороны принимающего процесса, либо с обеих сторон (в зависимости от значения параметра mode). Действия функции shutdown отличаются от действий функции close тем, что, во-первых, выполнение последней "притормаживается" до окончания попыток системы доставить уже отправленные сообщения. Во-вторых, функция shutdown разрывает соединение, но не ликвидирует дескрипторы ранее соединенных гнезд. Для окончательной их ликвидации все равно требуется вызов функции close.

Замечание: приведенная в этом пункте информация может несколько отличаться от требований реально используемой вами системы. В основном это относится к символическим именам констант. Постоянная беда пользователей ОС UNIX состоит в том, что от версии к версии меняются символические имена и имена системных структурных типов.

Потоки (streams)

Здесь нам почти нечего добавить к материалу, приведенному в п. 2.7.1. На основе использования механизма потоковых сетевых драйверов в UNIX System V создана библиотека TLI (Transport Layer Interface), обеспечивающая транспортный сервис на основе стека протоколов TCP/IP. Возможности этого пакета превышают описанные выше возможности программных гнезд и, конечно, позволяют организовывать разнообразные виды коммуникации процессов. Однако многообразие и сложность набора функций библиотеки TLI не позволяют нам в подробностях описать их в рамках этого курса. Кроме того, TLI относится, скорее, не к теме ОС UNIX, а к теме реализаций семиуровневой модели ISO/OSI. Поэтому в случае необходимости мы рекомендуем пользоваться технической документацией по используемому варианту ОС UNIX или читать специальную литературу, посвященную сетевым возможностям современных версий UNIX.