Introduzione al Laboratorio di Sistemi Operativi

Introduzione al Laboratorio di Sistemi Operativi

• Il laboratorio si concentra su sistemi operativi, introducendo l'IPC (Inter-Process Communication) tramite pipe e FIFO.
• Il docente è Daniele Radicioni.

Argomenti del Laboratorio UNIX

• Introduzione a UNIX
• Integrazione C: operatori bitwise, precedenze, preprocessore, pacchetto di codice, compilazione condizionale e utility make.
• Controllo dei processi
• Segnali
• Pipe e FIFO
• Code di messaggi
• Memoria condivisa
• Semafori
• Introduzione alla programmazione bash

Credits

• Il materiale è principalmente tratto da testi come "The Linux Programming Interface" di Michael Kerrisk e "Advanced Programming in the UNIX® Environment" di W. Richard Stevens e Stephen A. Rago.

IPC Facilities

• Gli strumenti UNIX per comunicazione e sincronizzazione sono divisi in tre categorie funzionali:
  • Comunicazione: faciliti lo scambio di dati tra processi.
  • Sincronizzazione: faciliti la sincronizzazione delle azioni dei processi.
  • Segnali: sebbene originariamente non progettati per la sincronizzazione, in alcune situazioni possono svolgere questo ruolo.

Data-transfer facilities

• Byte stream: i dati scambiati (pipe, FIFO, datagram socket) sono considerati come un flusso di byte. Ogni operazione di lettura può leggere un numero arbitrario di byte. Questo modello riflette il modo tradizionale in cui i file sono rappresentati in UNIX.
• Messaggi: i dati scambiati (code di messaggi, socket) sono sotto forma di messaggi delimitati. Ogni operazione di lettura legge un intero messaggio e non è possibile leggere parzialmente un messaggio o più messaggi in una sola operazione.

Memoria Condivisa

• Permette ai processi di scambiarsi informazioni mettendole in una regione di memoria condivisa.
• E' uno strumento veloce per la comunicazione, in quanto non richiede chiamate di sistema per i trasferimenti utente-kernel.

Semafori

• Un semaforo è un intero mantenuto dal kernel il cui valore non può essere minore di 0.
• I processi possono decrementare o incrementare il valore di un semaforo.
• Se un tentativo di decremento porta un valore sotto 0, il kernel blocca l'operazione fino a che il valore del semaforo non aumenta nuovamente.
• In alternativa è possibile richiedere un'operazione senza blocco (non-blocking), che restituisce un errore se l'operazione non può essere eseguita.

Pipe

• Le pipe offrono una soluzione al problema di far sì che l'output di un processo sia utilizzato come input di un altro.
• I FIFO sono una variazione dei pipe, che consentono la comunicazione tra processi qualsiasi.

Pipes

• Per eseguire comandi come ls -al | wc -l, la shell crea due processi (uno per ls e uno per wc).
• L'output di ls (fd=1) è connesso all'input di wc (fd=0) tramite il pipe.
• I processi non sono a conoscenza della pipe; leggono/scrivono da/su descrittori di file standard.

I pipe sono stream di byte

• Un pipe è un flusso di byte. Non si fa riferimento a un concetto di messaggio o delimitazione.
• Il processo di lettura può leggere blocchi di qualsiasi dimensione, ignorando le dimensioni dei blocchi scritti dal processo di scrittura.
• I dati passano in sequenza, e non è possibile accedere ai dati in modo non sequenziale tramite Iseek().

Lettura da pipe

• I tentativi di lettura su un pipe vuoto rimangono bloccati fino a quando non viene scritto almeno un byte nel pipe.
• Quando la fine della scrittura (write end) è chiusa, il processo di lettura riceve un end-of-file (EOF) codice.
• I pipe sono unidirezionali; i dati possono viaggiare solo in una direzione.

Capacità limitata

• I pipe sono buffer in memoria con capacità massima.
• Se il buffer è pieno, le scritture successive si bloccano fino a che il buffer non viene svuotato dal processo di lettura.
• Le applicazioni non hanno bisogno di conoscere la capacità del buffer.

La funzione pipe()

• La chiamata di sistema pipe() crea un nuovo pipe e fornisce due file descriptor: uno per la lettura (filedes[0]) e uno per la scrittura (filedes[1]).

Comunicazione tra processi non imparentati

• I pipe possono essere utilizzati per la comunicazione fra processi non imparentati (ad es., client e server) utilizzando FIFO.
• I FIFO hanno un nome nel file system e sono aperti come file.
• Ciò consentirà comunicazioni tra tutti i processi.

Chiusura descrittori

• I descrittori di file inutilizzati devono essere chiusi per evitare comportamenti errati o blocchi.

FIFO

• I FIFO sono simili ai pipe, ma hanno un nome nel file system.
• Possono essere utilizzati per la comunicazione tra processi non imparentati.

Utilizzo di FIFO

• Quando un FIFO è aperto, è possibile usare le system call read() e write() come con i pipe.
• I dati vengono letti nello stesso ordine in cui sono stati scritti.

Creazione di FIFO

• La funzione mkfifo() crea un nuovo FIFO specificato dal path e da un mode (permessi).

Sincronizzazione con FIFO

• L'apertura di un FIFO in modalità lettura blocca fino a quando non è aperto un FIFO in modalità scrittura.
• L'apertura di un FIFO in modalità scrittura blocca fino a quando non è aperto un FIFO in modalità lettura.

Application client-server

• Il server assegna numeri sequenziali univoci ai client.
• I client inviano le richieste al server usando un singolo FIFO server.
• Il nome del FIFO server è definito nel file di intestazione del protocollo.

Protocolli

• I dati in pipe e FIFO sono stream di byte, i confini tra i multipli messaggi non sono preservati.
• Il mittente e il ricevitore devono accordarsi su una convenzione per separare i messaggi.
• Questo può essere un carattere delimitatore (es. newline).

Server

• Crea il proprio well-known FIFO.
• Apre il FIFO in modalità lettura finché un client non lo apre in scrittura.
• Apre il FIFO in modalità scrittura (senza bloccare).
• Crea un ciclo che legge e risponde alle richieste dei client.
• Costruisce, tramite il nome client FIFO, il path del cliente ed apre il FIFO per la risposta.
• Abbandona la richiesta del client se c'è un errore durante l'apertura del FIFO.

Client

• Crea un FIFO.
• Costruisce un messaggio contenente l'ID del processo client e la lunghezza della sequenza desiderata.
• Apre il FIFO server e invia il messaggio.
• Apre il proprio FIFO e legge e stampa la risposta del server.

Esempio di utilizzo su shell

• Viene mostrato un esempio di utilizzo di comandi unix su shell per dimostrare come i FIFO vengono utilizzati con i pipe.

Questo laboratorio esplora i sistemi operativi, in particolare l'IPC attraverso pipe e FIFO. Gli studenti impareranno a gestire l'integrazione C e a controllare i processi in ambiente UNIX. Il corso utilizzerà testi di riferimento autorevoli per fornire una base solida nella programmazione di sistemi operativi.