Tag mecanismos IPC

En esta última entrada dedicada a los mecanismos IPC veremos las tuberías con nombre o FIFO (First in, First out). El mecanismo se basa en abrir y utilizar el fichero nombrado igual que haríamos con cualquier otro fichero ordinario, donde unos procesos lo abren en modo lectura y otros en modo escritura.

Un ejemplo de proceso lector:

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_BUF 1024
int main(){
 int fd;
 char *procPipe = "/tmp/fifo";
 char msj[MAX_BUF];
 /* Open the file*/ 
 fd = open(procPipe,O_RDONLY);
 /* We read the message*/
 read(fd,msj,MAX_BUF);
 /*We show the read message*/ 
 printf("Received message: %sn",msj);
 /* We close the named pipe*/
 close(fd);
return 0;
}

Un ejemplo del escritor:

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(){
 int fd;
 char *procPipe = "/tmp/fifo";
/*we make de FIFO file*/
 mkfifo(procPipe,0666);
 /*We open the file */
 fd = open(procPipe,O_WRONLY);
 /*We write the message*/ 
 write(fd,"Writer process messagen",sizeof("Writer process messagen"));
 /* We close the named pipe*/
 close(fd);
 /*We delete pipe*/
 unlink(procPipe);
 return 0;
}

Referencias:

1. Advanced Linux Programming, de Mark Mitchell, Jeffrey Oldham y Alex Samuel

Pipes

El tercer mecanismo IPC que vamos a tratar en esta saga son las tuberías (Pipes) y cuya principal característica es que son unidireccionales. Tal y como hace el shell en una orden del estilo ls | grep txt, el proceso a la izquierda de ‘|’ escribe en la tubería y el proceso de la derecha, lee.

Para hacer un uso correcto de las tuberías, debemos saber y comprender el funcionamiento  de los descriptores de archivo en el mundo Unix y, en particular, Linux (haremos uso de las funciones pipe y close).

Un ejemplo clásico de uso en programación de este tipo de IPC es cuando tenemos que desarrollar una aplicación que necesita comunicar a un padre con sus procesos hijos (o threads diferentes):

#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
 
#define SIZE 1024
 
int main( int argc, char **argv )
{
    pid_t pid;
    int p[2], readbytes;
    char msg[SIZE];
    int state, i=0;
    pipe(p);
    if ( (pid=fork()) == 0 ){ 
      /* Child process*/
      /* First: We close pipe write side*/
      close(p[1]);
      while((readbytes=read(p[0], msg, SIZE)) > 0)
       /* We write it in stdout*/
          write(1, msg, readbytes);
      close(p[0]);
    }
    else {
        /* Father proccess*/
        /* Firts: We close pipe read side*/
        close(p[0]); 
        while (i<10) {
            sprintf(msg, "Message number %dn", i);
            write(p[1], msg, strlen(msg));
            i++;
        }
        close(p[1]);
        wait(&state);
    }
    exit(0);
}

Las funciones importantes del ejemplo son:

• pipe: Crea la tubería. Necesita un vector de 2 elementos de enteros. El primero (posición 0) será la salida de la tubería (lectura) y el segundo, la entrada (escritura)
• close: Cierra los descriptores que no vamos a usar. La lectura en el proceso que escriba y la escritura en el que lea. Además, cuando los procesos terminan, cierran los descriptores abiertos.
• read y write: usadas para leer y escribir tomando como argumentos los descriptores de archivo apropiados (exactamente igual que haríamos con cualquier fichero)

 Referencias:

1. Unix Programación avanzada, Fco. Manuel Márquez García

Los mecanismos IPC del Unix System V (semáforos para sincronizar, memoria compartida y colas de mensajes) están implementados como una unidad y, por tanto, comparten características comunes de tal forma que, cada mecanismo dispone de una función:

• get para crear o recuperar uno de estos elementos de comunicación (por ejemplo, para C, shmget, semget, msgget)
• de control que permite leer y modificar el estado del elemento.

Existen más características que se pueden consultar en la documentación referenciada. Existen, además, 2 utilidades que nos permiten, desde el shell, obtener información y controlar los mecanismos usados en un sistema GNU/Linux concreto: ipcs e ipcrm. El primero sirve para saber los IPCs asignados junto con cierta información. El segundo permite borrarlos. Para saber más sobre ellos: man ipcs o man ipcrm.

Shared Memory

Quizás sea la forma más rápida de comunicar 2 procesos ya que para ello, solo debemos escribir en la zona de memoria compartida por ambos. Para poder utilizar este mecanismo, tenemos las funciones (en C):

• shmget para crear (o habilitar si ya lo está) una zona de memoria
• shmctl para acceder y modificar la información administrativa y de control asociada a la memoria
• shmat para asociar una zona de memoria a un proceso
• shmdt para desasociar la memoria del proceso

Para sincronizar el acceso a la memoria compartida entre distintos procesos debemos usar un mecanismo de sincronización: semáforos.

Ejemplo de uso

 int segment_id;
 char* shared_memory;
 struct shmid_ds shmbuffer;
 int segment_size;
 const int shared_segment_size = 0x6400;
 
 /* Allocate a shared memory segment. */
 segment_id = shmget (IPC_PRIVATE, shared_segment_size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | S_IRUSR | S_IWUSR);
 /* Attach the shared memory segment. */
 shared_memory = (char*) shmat (segment_id, 0, 0);
 printf ("shared memory attached at address %pn"€, shared_memory);
 /* Determine the segment'™s size. */
 shmctl (segment_id, IPC_STAT, &shmbuffer);
 segment_size = shmbuffer.shm_segsz;
 printf ("€œsegment size: %dn"€, segment_size);
 /* Write a string to the shared memory segment. */
 sprintf (shared_memory, "€œHello, world"€);
 /* Detach the shared memory segment. */
 shmdt (shared_memory);
 /* Reattach the shared memory segment, at a different address. */
 shared_memory = (char*) shmat (segment_id, (void*) 0x5000000, 0);
 printf ("shared memory reattached at address %pn"€, shared_memory);
 /* Print out the string from shared memory. */
 printf ("€œ%sn"€, shared_memory);
 /* Detach the shared memory segment. */
 shmdt (shared_memory);
 /* Deallocate the shared memory segment.
 shmctl (segment_id, IPC_RMID, 0);

Referencias:

1. Advanced Linux Programming, de Mark Mitchell, Jeffrey Oldham y Alex Samuel
2. Unix Programación avanzada, Fco. Manuel Márquez García
3. Para Python: https://docs.python.org/2/library/multiprocessing.html

En un estado normal de un sistema operativo, pueden cohabitar diferentes procesos en ejecución y que necesiten comunicarse. Por ejemplo, en esta entrada vimos que para la implementación de un sencillo servidor concurrente, podíamos crear un proceso hijo encargado de atender la petición del cliente. Dependiendo del servicio, podríamos necesitar la intercomunicación del proceso padre con los hijos* o, incluso, entre hijos.

En la próxima serie de entradas, comentaré los distintos tipos de IPC** que existen, excepto uno: sockets, porque de éste, ya hemos hablado aquí, aquí y aquí):

• Shared Memory: Memoria compartida entre procesos que les permite comunicarse leyendo y escribiendo en una zona específica de memoria. Quizás sea el mecanismo IPC más simple de comunicación.
• Mapped Memory: similar al anterior pero asociado a un fichero.
• Pipes: canal secuencial entre procesos (es la ‘barra’ de esta orden: ‘ls | grep *.exe’)
• FIFO: similar a las tuberías excepto que los procesos no tienen que estar relacionados debido a que la tubería se “construye” sobre un nombre en el sistema de archivos.

Si nos fijamos, la principal diferencia entre los 5 tipo de IPC (los 4 anteriores más los sockets) está en (1) función de si los procesos están o no relacionados (o si están en el mismo nodo de red), (2) si pueden escribir, leer o ambos y (3) el número de procesos que pueden comunicar.

Referencias:

1. Advanced Linux Programming, de Mark Mitchell, Jeffrey Oldham y Alex Samuel

* En este caso no me refiero a, simplemente, saber el estado de finalización de los hijos que, en si mismo, podríamos aceptar como comunicación entre procesos aunque muy simple.

** Hay quien considera las señales como un mecanismo IPC. En mi opinión, éstas están destinadas a proporcionar una forma de control sobre un proceso, no como un mecanismo IPC. Además, debemos tener en cuanta que no contienen datos a excepción de ella misma (la señal que es) y, si lanzamos una gran cantidad de ellas, el sistema se verá interrumpido constantemente por algo que, encima, necesita de un tratamiento especial.