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Convert to GutenPalm or to PalmDoc von Leonardo Giordani <leo.giordani(at)libero.it> Über den Autor: Student an der Fakultät für Telecommunications Engineering am Polytechnikum in Milano, arbeitet als Netzwerk - Administrator und beschäftigt sich mit Programmieren ( meistens in Assembly und CC++). Arbeitet seit 1999 fast ausschliesslich mit Linux / Unix. Übersetzt ins Deutsche von: Jürgen Pohl <sept.sapins/at/verizon.net> Inhalt: Einführung Die Theorie der Message Queues Ein Protokoll zusammenstellen System V Message Queues Empfohlene Literatur Talkback für diesen Artikel

Concurrent programming - Message Queue (1) Zusammenfassung: Diese Artikelserie möchte den Leser in das Konzept des Multitasking und dessen Implementation in Linux einführen. Beginnend mit den theoretischen Konzepten, die dem Multitasking zugrunde liegen, werden wir zum Abschluss eine vollständige Anwendung in Form eines einfachen, jedoch wirkungsvollen Protokolls schreiben, welches die Kommunikation zwischen Prozessen demonstriert. Voraussetzungen, um diesem Artikel zu folgen: Einige Kenntnisse der Shell Grundkenntnisse der C-Sprache (Syntax, Schleifen, Bibliotheken) Es ist auch hilfreich, die ersten beiden Artikel dieser Serie gelesen zu haben, sie erschienen im LinusFocus vom November 2002 (Artikel Nr. 272 ) und Januar 2003 (Artikel Nr. 281). _________________ _________________ _________________

Einführung

Prozesse synchronisieren bedeutet, deren Ausführung zeitmässig festzulegen, d.h. nicht in einem absoluten Zeitsystem (das würde bedeuten, einen genauen Zeitpunkt für den Beginn des Prozessablaufs festlegen), sondern in einer geplanten Reihenfolge zu bestimmen, welcher Prozess zuerst beginnt und welcher als zweiter.

Hierfür Semaphoren zu benutzen, erweist sich als zu komplex und zu begrenzt: komplex, weil jeder Prozess sein Semaphore mit denen der anderen Prozesse synchronisieren müsste. Eingeschränkt, da es uns nicht den Austausch von Parametern zwischen den Prozessen gestattet. Nehmen wir das Beispiel des Aufbaus eines neuen Prozesses: dieses Ereignis sollte jedem beteiligten Prozess mitgeteilt werden, die Semaphoren erlauben einem Prozess nicht solche Informationen auszutauschen.

Die 'concurrency' - Regelung des Zugriffs zu den gemeinsamen Ressourcen durch die Semaphoren kann zu einer andauernden Blockierung eines Prozesses führen, wenn ein weiterer beteiligter Prozess die Ressource freigibt und wieder belegt, bevor ein anderer diese benutzen kann: wie wir erfuhren, ist es in der Welt des "concurrency programming" nicht möglich, im voraus zu wissen, welcher Prozess wann ausgeführt wird.

Hiermit wird klar, dass die Semaphoren ein ungeeignetes Werkzeug zur Behandlung von komplexen Synchronisationsproblemen sind. Eine elegantere Lösung für diese Aufgabe erhalten wir durch die Anwendung von 'Message Queues': in diesem Artikel lernen wir über die Theorie dieser Vorrichtung zur Kommunikation zwischen Prozessen, ausserdem werden wir ein kleines Programm mit SysV- Primitiven schreiben.

Die Theorie der Message Queues

Der Gebrauch von Queues ist insofern die einfache Anwendung eines Mailsystems zwischen Prozessen: jeder Prozess hat eine Adresse und er kann mit anderen Prozessen korrespondieren. Ein Prozess kann also Messages, die an ihn gesandt werden, in einer bestimmten Reihenfolge lesen und entsprechend den vorgefundenen Anforderungen handeln.

Die Synchronisation zweier Prozesse kann infolgedessen einfach durch Messages zwischen ihnen erfolgen: Ressourcen besitzen ausserdem Semaphoren, welche die Prozesse über ihren Status informieren, der zeitliche Ablauf zwischen den Prozessen wird jedoch direkt durchgeführt. Hier wird sofort verständlich, dass der Gebrauch von Message Queues sehr vereinfacht, was anfangs als ein äusserst komplexes Problem erschien.

Bevor wir die Message Queues in der C-Sprache implementieren, müssen wir noch ein anderes Problem erwähnen, das sich auf die Synchronisation bezieht: die Notwendigkeit eines Kommunikationsprotokolls.

Ein Protokoll zusammenstellen

Hier ist das einfache Beispiel eines Protokolls, welches auf dem Austausch von Messages basiert: die Prozesse A und B werden parallel ausgeführt und verarbeiten verschiedene Daten - sobald sie das abgeschlossen haben, müssen sie das Ergebnis kombinieren. Ein einfaches Protokoll für diesen Austausch könnte folgendermassen aussehen:

PROZESS B:

• Verarbeite Deine Daten
• Wenn Du damit fertig bist, schicke eine Message zu A
• Wenn A antwortet, beginne Deine Resultate zu schicken

• Verarbeite Deine Daten
• Warte auf eine Message von B
• Antworte auf die Message
• Empfange Daten und kombiniere sie mit Deinen Daten

Dieses Protokoll kann einfach auf 'n' Prozesse ausgedehnt werden: jeder Prozess, ausser A, bearbeitet seine eigenen Daten und schickt eine Message an A. A antwortet und jeder Prozess sendet seine Ergebnisse: die Struktur der individuellen Prozesse - ausser A - bleibt unverändert.

System V Message Queues

Die grundlegende Struktur des Systems, das eine Message beschreibt, ist mit msgbuf bezeichnet; ist in linux/msg.h deklariert

/* message buffer for msgsnd and msgrcv calls */
struct msgbuf {
        long mtype;         /* type of message */
        char mtext[1];      /* message text */
};

struct message {
        long mtype;         /* message type */
        long sender;        /* sender id */
        long receiver;      /* receiver id */
        struct info data;   /* message content */
        ...
};

Um eine neue Queue zu erstellen, sollte ein Prozess einen Aufruf an die msgget() Funktion machen

int msgget(key_t key, int msgflg)

IPC_CREAT | 0660

Wie in den vorangegangenen Artikeln hoffen wir, dass keine Fehler auftreten, so können wir den Code vereinfachen - in einem zukünftigen Artikel werden wir uns mit sicherem IPC-Code beschäftigen.

Um eine Message an eine Queue mit bekanntem Identifikator zu schicken, benutzen wir das msgsnd() Primitivum

int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg)

length = sizeof(struct message) - sizeof(long);

Um die Messages in der Queue zu lesen, benutzen wir den msgrcv() -System - Aufruf

int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long mtype,
int msgflg)

Eine Queue kann man entfernen mit dem Primitivum msgctl() bei Verwendung des Flag IPC_RMID

msgctl(qid, IPC_RMID, 0)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <linux/ipc.h>
#include <linux/msg.h>

/* Redefines the struct msgbuf */
typedef struct mymsgbuf
{
  long mtype;
  int int_num;
  float float_num;
  char ch;
} mess_t;

int main()
{
  int qid;
  key_t msgkey;

  mess_t sent;
  mess_t received;

  int length;

  /* Initializes the seed of the pseudo-random number generator */
  srand (time (0));

  /* Length of the message */
  length = sizeof(mess_t) - sizeof(long);

  msgkey = ftok(".",'m');

  /* Creates the Queue*/
  qid = msgget(msgkey, IPC_CREAT | 0660);

  printf("QID = %d\n", qid);

  /* Builds a message */
  sent.mtype = 1;
  sent.int_num = rand();
  sent.float_num = (float)(rand())/3;
  sent.carattere = 'f';

  /* Sends the message */
  msgsnd(qid, &sent, length, 0);
  printf("MESSAGE SENT...\n");

  /* Receives the message */
  msgrcv(qid, &received, length, sent.mtype, 0);
  printf("MESSAGE RECEIVED...\n");

  /* Controls that received and sent messages are equal */
  printf("Interger number = %d (sent %d) -- ", received.int_num,
         sent.int_num);
  if(received.int_num == sent.int_num) printf(" OK\n");
  else printf("ERROR\n");

  printf("Float numero = %f (sent %f) -- ", received.float_num,
         sent.float_num);
  if(received.float_num == sent.float_num) printf(" OK\n");
  else printf("ERROR\n");

  printf("Char = %c (sent %c) -- ", received.ch, sent.ch);
  if(received.ch == sent.ch) printf(" OK\n");
  else printf("ERROR\n");

  /* Destroys the Queue */
  msgctl(qid, IPC_RMID, 0);
}

Mein Code erzeugt eine Queue, die vom Sohn-Prozess benutzt wird, um Daten zum Vater zu schicken: der Sohn erzeugt Zufallszahlen, überträgt diese zum Vater und beide drucken diese als Standard-Ausgabe.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <linux/ipc.h>
#include <linux/msg.h>
#include <sys/types.h>

/* Redefines the message structure */
typedef struct mymsgbuf
{
  long mtype;
  int num;
} mess_t;

int main()
{
  int qid;
  key_t msgkey;
  pid_t pid;

  mess_t buf;

  int length;
  int cont;

  length = sizeof(mess_t) - sizeof(long);

  msgkey = ftok(".",'m');

  qid = msgget(msgkey, IPC_CREAT | 0660);

  if(!(pid = fork())){
    printf("FATHER - QID = %d\n", qid);

    srand (time (0));

    for(cont = 0; cont < 10; cont++){
      sleep (rand()%4);
      buf.mtype = 1;
      buf.num = rand()%100;
      msgsnd(qid, &buf, length, 0);
      printf("SON - MESSAGE NUMBER %d: %d\n", cont+1, buf.num);
    }

    return 0;
  }

  printf("FATHER - QID = %d\n", qid);

  for(cont = 0; cont < 10; cont++){
    sleep (rand()%4);
    msgrcv(qid, &buf, length, 1, 0);
    printf("FATHER - MESSAGGE NUMBER %d: %d\n", cont+1, buf.num);
  }

  msgctl(qid, IPC_RMID, 0);

  return 0;
}

Empfohlene Literatur

• Silberschatz, Galvin, Gagne, Operating System Concepts - Sixth Edition, Wiley&Sons, 2001
• Tanenbaum, WoodHull, Operating Systems: Design and Implementation - Second Edition, Prentice Hall, 2000
• Stallings, Operating Systems - Fourth Edition, Prentice Hall, 2002
• Bovet, Cesati, Understanding the Linux Kernel, O'Reilly, 2000
• The Linux Programmer's Guide: http://www.tldp.org/LDP/lpg/index.html
• Linux Kernel 2.4 Internals http://www.tldp.org/LDP/lki/lki-5.html
• Web page of the #kernelnewbies IRC channel http://www.kernelnewbies.org/
• The linux-kernel mailing list FAQ http://www.tux.org/lkml/

Talkback für diesen Artikel

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