Komunikacja za pomocą potoków Tomasz Borzyszkowski
Wstęp Sygnały, omówione wcześniej, są użyteczne w sytuacjach błędnych lub innych wyjątkowych stanach programu, jednak nie nadają się do przekazywania dużej ilości informacji z jednego procesu do drugiego. Jednym z możliwych sposobów rozwiązania tego problemu dla procesów jest korzystanie ze wspólnych plików. Jednak może to okazać się nieefektywne oraz może prowadzić do problemów dostępu do wspólnych zasobów. Systemy Unixowe dostarczają konstrukcji nazywanej potokiem (ang. pipe). Potok jest używany najczęściej jako jednokierunkowy kanał komunikacyjny, łączący ze sobą powiązane procesy, stanowiąc zarazem uogólnienie pojęcia pliku w systemie Unix. Na jednym końcu potoku proces wysyła dane, zapisując je do potoku za pomocą systemowej funkcji write, natomiast na drugim końcu (inny) proces może je odczytywać używając funkcji read. Z mechanizmu potoków korzystaliśmy już w sposób niejawny, składając polecenia powłoki postaci: $ who grep kazio 2
Pogramowanie z potokami Wewnątrz programu potok jest tworzony za pomocą funkcji systemowej o nazwie pipe. W przypadku pomyślnego zakończenia zwraca dwa deskryptory plików, jeden do zapisu do potoku i drugi do odczytu z potoku. Nagłówek funkcji znajduje się w pliku <unistd.h> i ma następującą postać: int pipe(int filedes[2]); filedes to tablica dwóch liczb całkowitych, pierwsza filedes[0] to deskryptor odczytu z potoku, druga filedes[1] deskryptor zapisu do potoku. Funkcja może zwrócić -1, gdy nie można otworzyć nowych deskryptorów plików. Zobacz: potok1.c Komunikację przedstawioną w przykładzie można przedstawić za pomocą następującego schematu: read() p[0] write() p[1] 3
Pogramowanie z potokami cd W poprzednim przykładzie komunikaty zostały odczytane w takiej kolejności, w jakiej zostały zapisane. Potok traktuje dane jak kolejkę FIFO (= pierwszy na wejściu, pierwszy na wyjściu, ang. First In, First Out). Przedstawiony przykład prezentował komunikację potoku samego ze sobą. Prawdziwa wartość potoku staje się widoczna dopiero, gdy jest on użyty do komunikacji między różnymi procesami. Zobacz: potok2.c Schemat komunikacji przedstawionej w przykładzie: read() p[0] p[0] read() write() proces potomny p[1] p[1] write() proces rodzicielski 4
Pogramowanie z potokami cd II Procesy z poprzedniego przykładu mają otwarte deskryptory pliku, pozwalające odczytywać z i zapisywać do potoku. Każdy z procesów może zapisywać do deskryptora p[1] i odczytywać z deskryptora pliku p[0]. Pojawia się tu problem: jeżeli oba procesy zaczną pisać do i czytać z potoku, może powstać zamieszanie. Dlatego, jeżeli proces tylko pisze, to powinien zamknąć kanał odczytu i na odwrót. Zobacz: potok3.c Schemat komunikacji przedstawionej w przykładzie: read() p[0] read() write() proces potomny p[1] write() proces rodzicielski 5
Wielkość potoku Zobacz: rozmiar.c Potoki mają ograniczoną pojemność, tj. w potoku może znajdować się tylko pewna ilość bajtów. Minimalna ilość jest określona w standardzie POSIX jako 512 bajtów. W rzeczywistości (zwykle) systemy pozwalają na znacznie większe wartości. Znajomość maksymalnej wielkości potoku jest istotna, ponieważ wpływa na operacje zapisu i odczytu. Jeżeli zapisujemy do potoku, w którym jest dostateczna ilość miejsca, dane są wysyłane do potoku, a wywołanie funkcji write zwraca niezwłocznie. Jeżeli jednak wykonujemy zapis do potoku, który przepełnia potok, wykonanie procesu zostaje zawieszone, dopóty inny proces nie zrobi miejsca, odczytując dane z potoku. Jeżeli proces próbuje za pomocą pojedynczego write zapisać więcej danych, niż potok może otrzymać, to jądro zapisze do potoku tyle danych ile będzie mogło, następnie zawiesi wykonanie procesu, aż dostępne stanie się miejsce dla reszty danych. Zwykle zapis do potoku wykonuje się niepodzielnie. W pow. przypadku wiele procesów może pomieszać swoje niepodzielne dane w potoku. 6
Zamykanie potoków Co się dzieje, gdy deskryptor pliku, który reprezentuje jeden koniec potoku zostanie zamknięty? Możliwe są dwa przypadki: Zamknięcie deskryptora pliku do zapisu. Jeżeli istnieją inne procesy, które mają potok otwarty do zapisu, nic się nie dzieje. Jeżeli jednak nie ma więcej procesów z otwartym tym potokiem do zapisu, a potok jest pusty, każdy proces próbujący odczytać dane z potoku wraca bez danych. Procesy, które w uśpieniu czekały na odczyt, zostaną obudzone, a ich funkcje read zwrócą zero, tj. skutek dla procesów czytających przypomina osiągnięcie końca zwykłego pliku. Zamknięcie deskryptora pliku do odczytu. Jeśli istnieją inne procesy, mające potok otwarty do odczytu, to nic się nie zdarzy. Jeśli nie istnieją, to do wszystkich procesów czekających na zapis do potoku będzie przez jądro wysłany sygnał SIGPIPE. Jeśli sygnał nie zostanie przechwycony, proces zakończy się. Jeśli sygnał zostanie przechwycony, po jego obsłudze, write zwróci -1, a zmienna errno będzie zawierać EPIPE. Do procesów piszących do potoku później też wysyłany jest ten sygnał. 7
Nieblokujące odczyty i zapisy Poprzednie przykłady pokazały, że przy używaniu potoków zarówno odczyt, jak i zapis, mogą być zablokowane. Czasami nie jest to pożądane. Np. można chcieć, żeby program wykonał procedurę obsługi błędu lub przeglądał kilka potoków, aż otrzyma dane z jednego z nich. Jednym ze sposobów realizacji pow. zadań, jest następujące wywołanie funkcji fcntl: fcntl(filedes, F_SETFL, O_NONBLOCK); Jeżeli filedes jest dekryptorem potoku do zapisu, to następne wywołania funkcji write nie będą blokowane, nawet jeśli potok jest pełny. W zamian zwracają -1 i ustawiają errno na EAGAIN. Jeżeli filedes jest dekryptorem pustego potoku do odczytu, to następne wywołania funkcji read nie będą blokowane, zwrócą wartości jak w przypadku write. Zobacz: nonblock.c 8
Obsługa wielu potoków Zobacz: select.c Przedstawiony mechanizm nieblokujących odczytów i zapisów jest dobry dla małych aplikacji. Operowanie jednocześnie na wielu potokach znacznie upraszcza użycie funkcji select. Niech proces rodzicielski działa jako proces serwera z dowolną liczbą komunikujących się z nim procesów klienta (potomnych). Serwer musi poradzić sobie z sytuacją, w której informacja nadchodzi więcej niż jednym potokiem. Jeżeli nic nie nadchodzi, to proces serwera powinien się zablokować i czekać aż coś nadejdzie, ale bez ciągłego odpytywania. Gdy informacja nadchodzi więcej niż jednym potokiem, serwer musi wiedzieć, którymi potokami, by odczytać dane w prawidłowej kolejności. Zachowanie podobne do przedstawionego powyżej zapewnia funkcja select. Może być ona używana nie tylko do potoków ale także do zwykłych plików, terminali, plików FIFO i gniazd. Nie będziemy szczegółowo opisywać poszczególnych parametrów funkcji select. W zamian zaprezentujemy przykład jej zastosowania do potoków. 9
Funkcja exec i potoki Pomiędzy dwoma programami na poziomie powłoki może być ustawiony potok, np.: $ ls wc Jak realizuje się takie potoki? Po pierwsze, powłoka wykorzystuje fakt, że otwarte deskryptory plików przechodzą otwarte przez wywołania funkcji exec. Oznacza to, że dwa deskryptory plików dla potoków otwarte przed kombinacją fork/exec pozostaną otwarte, kiedy proces potomny rozpocznie wykonywanie nowego programu. Po drugie, przed wywołaniem exec, powłoka łączy standardowe wyjście ls z końcem potoku przeznaczonym do zapisu i standardowe wejście wc z końcem do odczytu. Może to być zrobione za pomocą funkcji fcntl lub dup2. W następującym przykładzie wykorzystaliśmy ten mechanizm w funkcji join łączącej dwa programy za pomocą potoku. Zobacz: join.c 10
Potoki nazwane = pliki FIFO Potoki są eleganckim i silnym mechanizmem komunikacji między procesami, jednak posiadają pewne wady: Potok może być używany do łączenia procesów, mających wspólnych przodków. Staje się to uciążliwe, gdy chcemy napisać prawdziwy proces serwera, na stałe działający w systemie. Potoki nie mogą być trwałe. Muszą być tworzone za każdym razem, gdy są potrzebne, i usuwane, gdy kończy się korzystający z nich proces. Problemy te rozwiązuje mechanizm komunikacji nazwany plikiem FIFO lub nazwanym potokiem. FIFO działa jak potok ale w odróżnieniu od potoków jest trwały i posiada nazwę i uprawnienia jak plik. Jednocześnie przy zapisie i odczycie wykazuje własności potoku. Plik FIFO tworzymy poleceniem mkfifo(). W starszych wersjach Unixa służyło do tego polecenie mknod(). Szczegóły implementacji zawarte w przykładowych programach: Zobacz: sendfifo.c rcvfifo.c 11