Lezione Laboratorio Sistemi Operativi (Memoria Condivisa) PDF

laboratorio di sistemi operativi memoria condivisa Daniele Radicioni argomenti del laboratorio UNIX introduzione a UNIX; integrazione C: operatori bitwise, precedenze, preprocessore, pacchettizzazione del codice, compilazione condizionale e utility make; contr...

laboratorio di sistemi operativi memoria condivisa Daniele Radicioni argomenti del laboratorio UNIX introduzione a UNIX; integrazione C: operatori bitwise, precedenze, preprocessore, pacchettizzazione del codice, compilazione condizionale e utility make; controllo dei processi; segnali; pipe e fifo; code di messaggi; semafori; memoria condivisa; introduzione alla programmazione bash. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 2 credits il materiale di queste lezioni è tratto: - dai lucidi del Prof. Gunetti degli anni scorsi; - Michael Kerrisk, The Linux Programming interface - a Linux and UNIX® System Programming Handbook, No Starch Press, San Francisco, CA, 2010; - W. Richard Stevens (Author), Stephen A. Rago, Advanced Programming in the UNIX® Environment (2nd Edition), Addison- Wesley, 2005; Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 3 introduzione La memoria condivisa (shared memory, SM) consente a due o più processi di condividere la stessa regione (detta anche segmento) di memoria fisica. Un processo copia i dati all'interno della memoria condivisa; quei dati divengono immediatamente disponibili a tutti gli altri processi che condividono lo stesso segmento. - Si tratta di uno strumento che fornisce una IPC veloce in confronto a tecniche come i pipe o le code di messaggi, in cui il processo mittente copia i dati da un buffer dello spazio utente nella memoria, e in cui il ricevente effettua una copia nella direzione inversa. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 4  P1 P2 read write ------- write read ------- C I A O ------- ------- read write Area di memoria primaria condivisa da più processi. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 5 uso della MC Poiché l'utilizzo della SM non è mediato dal kernel, tipicamente è necessario predisporre qualche metodo di sincronizzazione - in questo modo i processi non accedono simultaneamente alla memoria condivisa, come nel caso in cui due processi eseguono aggiornamenti simultanei, o in cui un processo legge dei dati dalla SM mentre un altro li sta modificando. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 6 spazi di indirizzamento di norma ogni processo possiede uno spazio di indirizzamento logico separato dagli altri processi; - un segmento di memoria condivisa può essere invece letto e/o scritto da due o più processi, e permette quindi un rapido scambio di informazioni. quindi, ogni processo usa il segmento di SM come se fosse una normale porzione del proprio spazio di indirizzamento logico, che però è fisicamente in comune a più processi. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 7 uso della MC un figlio creato con una fork() eredita i segmenti di SM a disposizione del genitore. Quindi la SM fornisce uno strumento semplice per l'IPC fra genitore e figli. - Durante una exec(), tutti i segmenti attaccati sono staccati (detached). NB: staccati, non distrutti! - I segmenti di SM sono anche automaticamente staccati al momento della terminazione dei processi. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 8 uso della MC: il ciclo di operazioni 1.Chiamata shmget() per creare un nuovo segmento di SM o per ottenere l'identificatore di un segmento esistente (i.e., un segmento creato da un altro processo). 2.Uso di shmat() per attaccare il segmento di SM; cioè, per rendere il segmento in questione parte della memoria virtuale del processo chiamante. - La memoria condivisa può essere trattata come qualsiasi altra porzione di memoria indirizzabile dall'interno del programma. Al fine di riferirsi alla memoria condivisa, il programma usa il valore addr restituito dalla chiamata shmat(), che è un puntatore all'inizio del segmento di SM nello spazio di indirizzi virtuale del processo. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 9 uso della MC: il ciclo di operazioni 3.Chiamata shmdt() per staccare il segmento di SM. Dopo tale chiamata, il processo non può più fare riferimento alla SM. - Questo passo (è opzionale, e) occorre automaticamente alla terminazione del processo. 4.Chiamata shmctl() per cancellare il segmento di SM. - Il segmento sarà effettivamente distrutto solo dopo che tutti i processi correntemente attaccati lo avranno staccato. Un solo processo effettua la cancellazione. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 10 Creating or Opening a Shared Memory Segment #include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); Returns shared memory segment identifier on success, or -1 on error L'argomento key è una chiave generata usando tipicamente il valore IPC_PRIVATE o una key restituita da ftok(). Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 11  #include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); Returns shared memory segment identifier on success, or -1 on error Quando utilizziamo la shmget() per creare un nuovo segmento di SM, size specifica un intero positivo che indica la dimensione del segmento, espressa in bytes. - Il kernel alloca la SM in multipli della dimensione delle pagine di sistema, quindi in pratica size viene arrotondata al multiplo successivo della dimensione della pagina. Se stiamo usando shmget() per ottenere l'identificatore di un segmento esistente, size è un argomento privo di effetto sul segmento, ma deve essere minore o uguale alla -dimensione Daniele Radicioni del segmento. Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 12  #include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); Returns shared memory segment identifier on success, or -1 on error L'argomento shmflg svolge le stesse operazioni comuni alle altre altre chiamate IPC get, specificando i permessi da associare al nuovo segmento, o da verificare su un segmento esistente. Inoltre, zero o più fra i seguenti flag possono essere concatenati in OR (|): - IPC_CREAT. Se non esiste un segmento con la key specificata, crea un nuovo segmento. - IPC_EXCL. Se è stato specificato IPC_CREAT, e un segmento con la key specificata esiste già, fallisce con errore EEXIST. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 13 area condivisa e tipi La shmget() funziona in modo simile alla malloc, con la differenza che l’area allocata è accessibile a più processi. Si può quindi prelevare spazio facendo riferimento a diversi tipi di dati: - Tipi di dati fondamentali: shmget(..., sizeof(int),...); - Array: shmget(..., sizeof(char)*N,...); - Strutture: shmget(..., sizeof(struct libro),...); Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 14 Using Shared Memory #include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); Returns address at which shared memory is attached on success, or (void *) -1 on error La system call shmat() attacca un’area di memoria identificata da shmid allo spazio di indirizzamento del processo. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 15  #include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); Returns address at which shared memory is attached on success, or (void *) -1 on error L'argomento shmaddr e l'impostazione del SHM_RND bit nella bit-mask shmflg controllano il modo in cui il segmento è attaccato: - Se shmaddr è NULL, allora il segmento è attaccato all'indirizzo appropriato dal kernel. Questo è il modo migliore per attaccare un segmento. Specificare un valore non-NULL per shmaddr non è raccomandabile: - Infatti riduce la portabilità di un'applicazione. Un indirizzo valido in una implementazione UNIX può non essere valido in un'altra. - Un tentativo di attaccare un segmento di SM ad un particolare indirizzo fallirà se quell'indirizzo èDaniele già Radicioni utilizzato. - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 16  void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); valore di ritorno di shmat() shmat() restituisce l'indirizzo al quale il segmento di SM è attaccato. - Questo valore può essere trattato come un normale puntatore C; il segmento può essere trattato come qualsiasi altra parte della memoria virtuale del processo. Tipicamente, assegnamo il valore di ritorno di shmat() ad un puntatore a qualche struttura definita nel programma, al fine di imporre quella struttura sul segmento: struct shmseg *shmp; shmp = (struct shmseg *)shmat(shmid,NULL,0); if (shmp == (void *) -1) errExit("shmat"); Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 17  #include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); Returns address at which shared memory is attached on success, or (void *) -1 on error Per attaccare un segmento di SM per un accesso read-only, specifichiamo il flag SHM_RDONLY nel shmflg. - Tentativi di aggiornare i contenuti di un segmento disponibile solo in lettura produrranno un segmentation fault (segnale SIGSEGV). Se SHM_RDONLY non è specificato, la memoria può essere sia letta sia modificata. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 18 #include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); Returns address at which shared memory is attached on success, or (void *) -1 on error Value Description SHM_RDONLY Attach segment read-only Replace any existing mapping at SHM_REMAP shmaddr Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 19 detaching segments Quando un processo non accede più a un segmento di SM, può chiamare la system call shmdt() per staccare il segmento dal proprio spazio di indirizzi virtuale. L'argomento shmaddr identifica il segmento da staccare. Dovrebbe essere un valore restituito da una precedente chiamata shmat(). Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 20  Detaching segments #include #include int shmdt(const void *shmaddr); Returns 0 on success, or –1 on error La shmdt() sgancia l'area di memoria condivisa dallo spazio degli indirizzi del processo chiamante; - shmaddr è l’indirizzo del punto di accesso, restituito dalla shmat(); NB: sganciamento != cancellazione. - La cancellazione è eseguita per mezzo della shmctl(), con il comando IPC_RMID. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 21 00 int main(int argc, char** argv) { 01 int shmid_1, shmid_2, return_val; 02 char *stringa_1, *stringa_2; 03 char msg[] = "ciao a tutti!"; 04 05 shmid_1 = shmget(MYKEY, sizeof(char)*SHMSZ, IPC_CREAT|0666); 06 stringa_1 = (char *)shmat(shmid_1,NULL,0); 07 08 snprintf(stringa_1, sizeof(msg), "%s", msg); 09 return_val = shmdt(stringa_1); 10 11 // un altro processo che si attacchi alla stessa area 12 // di memoria condivisa potrà leggerne il contenuto 13 shmid_2 = shmget(MYKEY, sizeof(char)*SHMSZ, 0); 14 15 stringa_2 = (char *)shmat(shmid_2,NULL,0); 16 printf(“%s\n",stringa_2); // leggo il contenuto della SM 17 18 shmctl(shmid_2, IPC_RMID,0); 19 exit(EXIT_SUCCESS); 20 } Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 22 Esempio: lettore e scrittore L'applicazione consiste di due programmi: il lettore e lo scrittore. - Lo scrittore legge blocchi di dati da standard input e li scrive su un segmento di SM. - Il lettore legge blocchi di dati dal segmento di memoria condivisa allo standard output. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 23 Esempio: lettore e scrittore I due programmi utilizzano un paio di semafori che implementano il binary semaphore protocol (costituito dalle funzioni initSemAvailable(), initSemInUse(), reserveSem(), and releaseSem()) per assicurare che: - un solo processo alla volta acceda al segmento di SM; e che - i processi si alternino nell'accesso al segmento (cioè lo scrittore scriva alcuni dati, quindi il lettore li legga, quindi lo scrittore ne scriva altri, etc.). Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 24 Michael Kerrisk, The Linux Programming interface - a Linux and UNIX® System Programming Writer process Reader process reserveSem(WRITE_SEM); Shared reserveSem(READ_SEM); memory copy data block from copy data block from Handbook, No Starch Press, San Francisco, CA, 2010. stdin to shared memory shared memory to stdout releaseSem(READ_SEM); releaseSem(WRITE_SEM); 48-1: Using semaphores to ensure exclusive, alternating access to shared memory Figure lo scrittore inizializza i due semafori in modo da essere il Listing primo dei due 48-1: Header file forprocessi ad accedere svshm_xfr_writer.c al segmento di SM; and svshm_xfr_reader.c cioè, –––––––––il–– semaforo –––––––––dello ––––––scrittore –––––––––è–inizialmente –––––––––––––disponibile, e il ––––––– svshm/svshm_xfr.h semaforo #include del lettore è inizialmente in uso. #include Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 25 #include #include #include "binary_sems.h"  #include #include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); Returns 0 on success, or -1 on error La system call shmctl() esegue un insieme di operazioni di controllo sul segmento di SM identificato da shmid. L'argomento cmd specifica l'operazione da eseguire. L'argomento buf è richiesto dalle operazioni IPC_STAT e IPC_SET, e dovrebbe essere NULL per le altre. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 26  #include #include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); Returns 0 on success, or -1 on error IPC_RMID. Marca il segmento di SM e l'associata struttura shmid_ds per la cancellazione. Se nessun processo ha il segmento attaccato, la cancellazione è immediata; diversamente, il segmento è rimosso dopo che tutti i processi lo hanno staccato. - In alcune applicazioni possiamo assicuraci che un segmento sia rimosso al momento della terminazione dell'applicazione marcandolo per la cancellazione immediatamente dopo che tutti i processi lo hanno attaccato al proprio spazio di indirizzi con la shmat(). - Questa operazione è analoga all'unlinking dei file una volta che li abbiamo aperti (vedere man 2 unlink!). Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 27  #include #include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); Returns 0 on success, or -1 on error IPC_STAT. Copia la struttura shmid_ds associata a questo segment nel buffer puntato da buf. IPC_SET. Aggiorna i membri della struttura shmid_ds associata a questo segmento con il buffer puntato da buf. Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 28 shmid_ds data structure Ogni segmento di SM ha una struttura shmid_ds contenente i seguenti membri: struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; size_t shm_segsz; time_t shm_atime; time_t shm_dtime; time_t shm_ctime; pid_t shm_cpid; pid_t shm_lpid; shmatt_t shm_nattch; } Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 29 Daniele Radicioni - Laboratorio di Sistemi Operativi, corso A - turno T1 30