SOP SOP-sciaga

API us lug jadra systemu operacyjnego UNIX∗

Dariusz Wawrzyniak

darek@cs.put.poznan.pl

18 stycznia 2000

Wszystkie opisane niżej funkcje z wyjatkiem funkcji z bi-execlp(const char* file, const char* arg, ...) —

blioteki pthread (patrz punkt 2) w przypadku b ledu zwra-funkcja dzia la podobnie jak execl, jednak plik z pro-

caja wartość -1, w zwiazku z czym fakt ten nie jest wyszcze-gramem poszukiwany jest w katalogach wyszczególnio-

gólniony przy opisie poszczególnych funkcji.

nych w zmiennej środowiskowej PATH.

Analogiczne jest dzia lanie funkcji systemowych execv i 1

Procesy

execvp.

Różnica jest w przekazywaniu parametrów: w

przypadku funkcji execv/execvp parametry przekazywane W odniesieniu do procesów wymagana jest znajomość na-sa przez tablice stringów.

stepujacych terminów i zagadnień: proces, hierarchia pro-

cesów i sposoby ich identyfikacji (identyfikator procesu —

Watki

pid, identyfikator procesu macierzystego — ppid, efektywny

identyfikator użytkownika/grupy i rzeczywisty identyfikator Wymagana jest znajomość zagadnień dostepu watków użytkownika/grupy), proces systemowy init, program wyko-

do wspó ldzielonej przestrzeni adresowej, szczególnie zasad nywany przez proces, proces macierzysty, proces potomny, wspó ldzielenia segmentu danych i segmentu stosu.

proces-sierota, adoptowanie sierot, proces-zombi.

Funkcje opisane w tym punkcie zwracaja wartość 0 w

przypadku poprawnego zakończenia lub kod b ledu, który fork() — utworzenie procesu potomnego. W procesie ma-

jest wartościa różna od 0.

cierzystym funkcja zwraca identyfikator (pid) procesu

potomnego (wartość wieksza od 0, w praktyce wieksza

od 1), a w procesie potomnym wartość 0.

2.1

Tworzenie watków

pthread_create(pthread_t *thread,

pthread_attr_t

exit(int status) — zakończenie procesu. Funkcja koń-

czy proces i powoduje przekazanie w odpowiednie miej-

*attr,

void*

(*start_routine)

(void*),

atku.

Watek wykonuje

sce tablicy procesów wartości status, która może zostać void *arg) — utworzenie w ,

funkcje wskazywana przez parametr start routine.

odebrana i zinterpretowana przez proces macierzysty.

Parametry funkcji musza być przekazane przez wskaź-

wait(int *status) — oczekiwanie na zakończenie po-nik na obszar pamieci (strukture), który zawiera

tomka.

Funkcja zwraca identyfikator (pid) procesu,

odpowiednie wartości. Wskaźnik ten jest przkazywany który sie zakończy l. Pod adrsem wskazywanym przez przez parametr arg i jest dalej przekazywany jako

status umieszczany jest status zakończenia, który za-paremetr aktualny do funkcji wykonywanej przez wiera albo numer sygna lu (najmniej znaczace 7 bitów), watek.

Parametr attr wskazuje na atrybuty watku,

albo status w laściwy (bardziej znaczacy bajt). Naj-a przez wskaźnik thread zwracany jest identyfikator

bardziej znaczacy bit m lodszego bajtu wskazuje, czy watku.

nastapi l zrzut core’a.

pthread_exit(void *retval)

—

zakończenie

watku.

Funkcja powoduje zakończenie watku i przekazanie execl(const char* path, const char* arg, ...)

—

retval, jako wskaźnika na wynik. Wskaźnik ten może zmiana programu wykonywanego przez proces. Proces zostać przejety przez inny watek, który bedzie wyko-rozpoczyna wykonywanie nowego programu, którego

nywa l funkcje

kod znajduje sie w pliku wskazywanym przez path.

pthread_join.

Jeśli path nie jest ścieżka abosolutna, to znaczy, że

pthread_join(pthread_t th, void **thread_return) ścieżka rozpoczyna sie od katalogu bieżacego. Pomimo

— oczekiwanie na zakńczenie watku. Funkcja umożli-

zmiany wykonywanego programu pewne atrybuty

wia zablokowanie watku w oczekiwaniu na zakończenie

procesu (pid, ppid, tablica otwartych plików) nie innego watku, identyfikowanego przez parametr th.

ulegaja zmianie.

Jeśli oczekiwany watek zakończy l sie wcześniej, funk-

∗W przypadku wykrycia jakichkolwiek b ledów prosze o mail na cja zakończy sie natychmiast.

Funkcja przekazuje

podany adres.

przez parametr thread return wskaźnik na wynik 1

watku (wykonywanej przez niego funkcji), przekazany watków. Funkcja powoduje wys lanie sygna lu do jed-

jako parametr funkcji pthread_exit wywo lanej w nego z watków śpiacych na zmiennej warunkowej wska-

zakończonym watku.

zywanej przez cond w celu obudzenia. Jeśli na wskaza-

nej zmiennej warunkowej nie śpi żaden watek, sygna l

pthread_cancel(pthread_t thread) — zakończenie wy-ginie bez żadnego efektu.

konywania innego watku. Funkcja umożliwia watkowi

usuniecie z systemu innego watku, identyfikowanego pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond)

—

przez parametr thread.

wys lanie sygan lu (obudzenie) do wszystkich oczekujacych watków.

Funkcja dzia la podobnie jak

pthread_cond_signal

z taka różnica,

że sygna l

2.2

Synchronizacja watków

budzacy wysy lany jest do wszystkich watków śpiacych

2.2.1

Wzajemne wykluczanie

na zmiennej warunkowej wskazywanej przez cond.

Do zapewnienia wzajemnego wykluczania używana jest zmienna (o przyk ladowej nazwie mutex), zadeklarowana na-3

Pliki

stepujaco:

Wymagana jest znajmość zasad tworzenia i dostepu do pli-

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; ków w hierachicznej strukturze katalogów.

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) — zaje-

3.1

Tworzenie i otwieranie plików

cie zamka. Funkcja powoduje zajecie zamka wskazy-

wanego przez parametr mutex. (zajecie sekcji krytycz-creat(const char *pathname, mode_t mode) — utwo-

nej) poprzedzone ewentualnym zablokowaniem watku rzenie nowego pliku lub usuniecie jego zawartości, gdy

do czasu zwolnienia zamka, jeśli zosta l on wcześniej za-już istnieje oraz otwarcie go do zapisu. Funkcja tworzy jety przez inny watek.

plik, którego lokalizacje wskazuje parametr pathname.

Prawa dostepu do utworzonego pliku ustawiane sa

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

—

zgodnie z parametrem mode. Jeśli plik o takiej na-zwolnienie zamka.

Funkcja powoduje zwolnienie

zwie już istnieje, a proces wywo lujacy funkcje creat

zamka wskazywanego przez parametr mutex (zwol-

ma prawo do zapisu tego pliku, to jego zawartość jest nienie sekcji krytycznej), umożliwiajac jego zajecie usuwana. Plik wskazywany przez pathname otwierany

innemu watkowi.

jest w trybie do zapisu, a funkcja zwraca jego deskryp-

tor.

pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

—

próba zajecia zamka. Funkcja powoduje zajecie zamka open(const char *pathname, int flags)

— otwarcie

wskazywanego przez parametr mutex, jeśli nie jest pliku. Funkcja otwiera plik o nazwie pathname w try-zajety przez inny watek. W przeciwnym przypadku bie okrślonym przez parametr f lags (np. O_WRONLY,

zwraca b lad, nie blokujac tym samym procesu.

O_RDONLY, O_RDWR). Funkcja zwraca deskryptor otwar-

tego pliku.

2.2.2

Zmienne warunkowe

close(int fd) — zamkniecie deskryptora pliku. Funkcja

zamyka deskryptor pliku przekazany przez parametr Synchronizacja za pomoca zmiennych warunkowych polega

f d. Jeśli jest to ostatni (jedyny) deskryptor pliku, na-na usypianiu i budzeniu watku w sekcji krytycznej. W tym

stepuje zamkniecie pliku.

celu używana jest zmienna warunkowa (o przyk ladowej na-

zwie cond), zadeklarowana nastepujaco:

dup(int oldfd) — powielenie deskryptora. Funkcja powo-

duje utworzenie dodatkowego deskryptora otwartego pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; wcześniej pliku, identyfikowanego przez parametr (deskryptor) oldf d.

Nowy deskryptor tworzony jest na

pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,

pierwszej wolnej pozycji (otrzymuje najmniejsza moż-

pthread_mutex_t *mutex) — oczekiwanie na sy-

liwa wartość). Funkcja zwraca wartość nowo utworzo-

gna l. Funkcja powoduje uśpienie watku na zmiennej

nego deskryptora.

warunkowej, wskazywanej przez parametr cond.

czas uśpienia watek zwalnia zamek, wskazywany przez dup2(int oldfd, int newfd) — powielenie deskryptora

parametr mutex, udostepniajac tym samym sekcje we wskazanym miejscu.

Podobnie jak w przypadku

krytyczna innym watkom.

Po obudzeniu i wyjściu

funkcji dup, tworzony jest nowy deskryptor otwartego

z funkcji (na skutek odebraniu sygna lu wys lanego pliku, identyfikowanego przez oldf d, w miejscu wska-przez pthread_cond_signal) zamek zajmowany jest zanym przez newf d. newf d staje sie nowym, dodat-

ponownie.

kowym deskryptorem, a jeśli przed wywo laniem dup2

identyfikowa l on inny otwarty plik, nastepuje zamknie-

pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) — wy-cie tego deskryptora przed powieleniem oldf d. Funkcja s lanie sygan lu (obudzenie) do jednego z oczekujacych zwraca wartość nowego deskryptora.

unlink(const char *pathname) — usuniecie dowiazania 4.2

Tworzenie i otwieranie klejek FIFO

do pliku.

Funkcja usuwa wskazana przez parametr

( laczy nazwanych)

pathname nazwe pliku, a jeśli by lo to jedyne dowia-

zanie tego pliku, nastepuje usuniecie pliku z systemu.

mkfifo(const char *pathname, mode_t mode) — utwo-

rzenie kolejki FIFO. Funkcja tworzy (ale nie otwiera) plik typu kolejka FIFO w katalogu i pod nazwa zawarta

3.2

Operacje na plikach

w parametrze pathname, z prawami dostepu przekaza-

nymi w parametrze mode.

read(int fd, void *buf, size_t count) — odczyt z pliku. Funkcja powoduje odczyt count bajtów z otwar-open(const char *pathname, int flags)

— otwarcie

tego pliku, identyfikowanego przez deskryptor f d, po-kolejki FIFO. Funkcja otwiera kolejke FIFO o na-czawszy od bieżacej pozycji i umieszczenie ich pod ad-

zwie wskazanej przez pathname, podobnie jak otwie-resem buf w przestrzeni adresowej procesu. Funkcja rany jest plik. Kolejka może być otwierana tylko w zwraca liczbe bajtów, na której uda lo sie wykonać ope-

dwóch trybach: tylko do odczytu (f lags = O_RDONLY) racje.

lub tylko do zapisu (f lags = O_WRONLY). Ponadto kolejka musi zostać otwarta w trybie komplementarnym, write(int fd, const void *buf, size_t count)

—

tzn. musza być dwa procesy, z których jeden otwiera zapis do pliku. Funkcja powoduje zapis count bajtów,

kolejke w trybie O_RDONLY, a drugi w trybie O_WRONLY.

poczawszy od bieżacej pozycji, w otwartym pliku

W przeciwnym razie jeden z procesów jest blokowany.

identyfikowanym przez deskryptor f d.

Zapisywane

Funkcja zwraca deskryptor kolejki.

wartości pobierane sa spod adresu buf w przestrzeni

adresowej procesu. Funkcja zwraca liczbe bajtów, na

której uda lo sie wykonać operacje.

4.3

Operacje na laczach

lseek(int fd, off_t offset, int whence) — przesu-read(int fd, void *buf, size_t count) — odczyt z niecie wskaźnika bieżacej pozycji. Funkcja powoduje lacza. Dane z lacza sa odczytywane tak, jak z pliku.

zmiane wskaźnika bieżacej pozycji w otwartym pliku.

Jeśli lacze jest puste, ale jest otwarty jakiś deskryp-

Nowa pozycja jest bajtem o numerze of f set liczonym tor do zapisu (potencjalnie w potoku moga pojawić sie

odpowienio wzgledem

jakieś dane), to proces jest blokowany. Jeśli danych

jest mniej niż wartość parametru count, odczytane zo-

• poczatku pliku, gdy whence = SEEK_SET,

stana tylko dostepne dane. Dane beda odczytywane w

kolejności, w której zosta ly zapisane, a po odczytaniu

• końca pliku, gdy whence = SEEK_END,

zostana usuniete z lacza.

• bieżacej pozycji, gdy whence = SEEK_CUR.

write(int fd, const void *buf, size_t count)

—

Wartość parametru of f set < 0 oznacza przesuniecie w zapis do lacza. Dane zapisywane sa tak, jak w przy-

kierunku poczatku pliku (niższych indeksów), a war-padku zapisu w pliku, z wyjatkiem sytuacji, gdy brak

tość of f set > 0 oznacza przesuniecie w kierunku końca jest wystarczajacej ilości wolnego miejsca. Wówczas

pliku (wyższych indeksów). Funkcja zwraca aktualna proces jest blokowany.

Funkcja zapisze w potoku

wartość wskaźnika bieżacej pozycji (po przesunieciu), count bajtów w ca lości i beda one stanowi ly ciag ly

liczona wzgledem poczatku pliku.

strumień danych (nie beda sie przeplatać z danymi

pochodzacymi z innych zapisów (innych wywo lań

funkcji write).

Lacza (potoki i kolejki FIFO)

close(int fd) — zamkniecie deskryptora lacza. Funkcja

Wymagana jest znajomość zagadnień komunikacji strumie-dzia la analogicznie, jak w przypadku zamykania de-niowej, w szczególności różnicy pomiedzy komunikacja stru-skryptora zwyk lego pliku.

mieniowa a komunikacja pakietowa”.

, ”

Mechanizmy IPC

4.1

Tworzenie i otwieranie potoków ( laczy

nienazwanych)

5.1

Pamieć wspó ldzielona

pipe(int filedes[2]) — utworzenie potoku i otwarcie shmget(key_t key, int size, int shmflg) — utworze-go do zapisu i do odczytu. Funkcja tworzy i zarazem nie lub pobranie identyfikatora segmentu pamieci

otwiera potok, i przekazuje przez tablice f iledes dwa

wspó ldzielonej.

Funkcja tworzy segment wspó ldzie-

deskryptory. f iledes[0] zawiera deskryptor potoku do lonej pamieci o rozmiarze size, identyfikowany przez

odczytu, a f iledes[1] zawiera deskryptor potoku do za-klucz key lub znajduje segment o takim kluczu, je-pisu.

śli segment już istnieje. Funkcja zwraca identyfikator, 3

który s luży do odwo lywanie sie do segmentu w pozo-procesu lub b lad wykonania funkcji semop, zależnie od

sta lych funkcjach operujacych na pamieci wspó ldzie-ustawienia flagi IPC_NOWAIT i żadna z operacji sema-

lonej. Parametr shmf lg umożliwia przekazanie praw forowych zdefiniowanych w tablicy sops nie zostanie dostepu do kolejki oraz pewnych dodatkowych flag de-wykonana. sem_op = 0 oznacza oczekiwanie na osia-

finiujacych sposób jej tworzenia (np. IPC_CREAT), po-gniecie wartości 0 przez zmienna semaforowa. Flagi

laczonych z prawami dostepu operatorem sumy bitowej określaja dodatkowe cechy operacji (np. IPC_NOWAIT,

(np. IPC_CREAT|0660).

SEM_UNDO).

shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg) semctl(int semid, int semnum, int cmd,

— w laczenie segmentu pamieci wspó ldzielonej w union semun arg)

— operacje kontrolne na ta-

przestrzeń adresowa procesu. Funkcja przydziela seg-blicy semaforów.

mentowi wspó ldzielonej pramieci, identyfikowanemu

przez shmid, adres w przestrzeni adresowej procesu i 5.3

Kolejki komunikatów

zwraca ten adres jako wynik.

msgget(key_t key, int msgflg) — utworzenie lub po-shmdt(const void *shmaddr) — wy laczenie segmentu pa-

branie identyfikatora kolejki komunikatów.

Funkcja

mieci wspó ldzielonej z przestrzeni adresowej procesu.

tworzy kolejke komunikatów, jeśli kolejka o kluczu key

Funkcja powoduje od laczenie segmentu pamieci wspó l-

jeszcze nie istnieje, i zwraca identyfikator tej kolejki.

dzielonej, umieszczeonego pod adresem shmaddr.

Parametr msgf lg umożliwia przekazanie praw dostepu

do kolejki oraz pewnych dodatkowych flag definiuja-shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)

cych sposób jej tworzenia (np. IPC_CREAT), po laczo-

— operacje kontrolne na segmencie pamieci wspó l-

nych z prawami dostepu operatorem sumy bitowej (np.

dzielonej.

Funkcja umożliwia wykonywanie operacji

IPC_CREAT|0660).

kontrolnych na segmencie pamieci wspó ldzielonej, np.

usuniecie tego segmentu.

msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg) — wys lanie komunikatu przez przekaza-5.2

Semafory

nie go do kolejki. Funkcja umieszcza w kolejce identyfikowanej przez msgid komunikat, którego treść znaj-semget(key_t key, int nsems, int semflg) — utwoduje sie pod adresem msgp w przestrzeni adresowej

rzenie lub pobranie identyfikatora tablicy semaforów.

procesu i zawiera msgsz bajtów we w laściwej treści Funkcja tworzy tablice sk ladajaca sie z nsems sema-

komunikatu oraz wartość typu long określajaca typ ko-

forów, jeśli tablica o kluczu key jeszcze nie istnieje i munikatu. Ogólna struktura komunikatu zdefiniowana zwraca na podstawie klucza identyfikator tej tablicy.

jest nastepujaco:

Parametr semf lg umożliwia przekazanie praw dostepu

do tablicy semaforów oraz pewnych dodatkowych flag struct msgbuf {

definiujacych sposób jej tworzenia (np. IPC_CREAT),

long mtype;

/* typ komunikatu, > 0 */

po laczonych z prawami dostepu operatorem sumy bi-

char mtext[1];

/* treść komunikatu */

towej (np. IPC_CREAT|0660).

};

semop(int semid, struct sembuf *sops,

Treść komunikatu może mieć w rzeczywistości inny roz-unsigned nsops)

—

wykonanie

operacji

semfo-

miar i inna strukture.

Jeśli w kolejce nie ma miej-

rowej.

Operacja semaforowa może być wykonywana

sca to proces jest blokowany w funkcji msgsnd lub w jadnocześnie na kilku semaforach w tej samej tablicy przyapadku ustawienia flagi IPC_NOWAIT w parametrze identyfikowanej przez semid.

sops jest wskaźnikiem

msgf lg zwracana jest wartość -1.

na tablice operacji semaforowych, a nsops jest liczba

elementów w tej tablicy.

Każdy element tablicy

msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, opisuje jedna operacje semaforowa i ma nastepujaca

long msgtyp, int msgflg) — odebranie komunikatu strukture:

przez pobranie go z kolejki.

Funkcja pobiera z ko-

lejki komunikat który spe lnia kryteria określone przez struct sembuf {

msgtyp (typ komunikatu), pmsgsz (rozmiar bufora w short sem_num;

/* numer semafora */

przestrzeni adresowej procesu) i msgf lg (flagi specy-short sem_op;

/* operacja semaforowa */

fikujace zachowanie sie funkcji w warunkach ńietypo-

short sem_flg;

/* flagi operacji */

wych”). Wybór komunikatu dokonuje sie wed lug naste-

};

pujacych zasad: jeśli parametr msgf lg ma ustawiona

flage MSG_NOERROR, komunikat przekraczajacy rozmiar

Pole sem_op zawiera wartość, która zostanie dodana bufora jest ucinany przy odbiorze. W przeciwnym ra-do zmiennej semaforowej pod warunkiem, że zmienna zie odbierane sa tylko komunikaty, których treść ma

semaforowa nie osiagnie w wyniku tej operacji wartości mniejszy rozmiar niż msgsz. Drugim kryterium wy-

mniejszej od 0. W przeciwnym razie nastapi blokada boru jest typ komunikatu, zgodnie z poniższa regu la:

• msgtyp > 0 — wybierany jest komunikat, którego typ jest dok ladnie taki, jak msgtyp,

• msgtyp < 0 — wybierany jest komunikat, którego który ma najmniejsza wartość typu mniejsza lub

równa bezwzglednej wartości z msgtyp,

• msgtyp = 0 — typ komunikatu nie jest brany pod uwage przy wyborze.

Komunikaty spe lniajace kryteria pobierane sa w kolej-

ności, w której zosta ly umieszczone w kolejce. Jeśli w kolejce nie ma wymaganego komunikatu i w parametrze f lag ustawiona jest flaga IPC_NOWAIT, funkcja zwraca

-1. Jeśli flaga nie jest ustawiona, proces jest blokowany aż do czasu pojawienia sie komunikatu. Funkcja

zwraca rozmiar treści odebranego komunikatu (liczbe, bajtów zajmowana przez mtext).

msgctl(int msqid, int

cmd, struct msqid_ds *buf)

— operacje kontrolne na kolejce komunikatów.

Sygan ly

void (*signal(int signum,

void (*handler)(int)))(int)

—

zdefiniowanie

sposobu reakcji procesu na sygna l. Funkcja umożliwia ustawienie ignorowania sygna lu o numerze signum (jako handler przekazywana jest sta la SIG_IGN), ustawienie domyślnej reakcji (jako handler przekazywana jest sta la SIG_DFL) lub przechwytywanie sygna lu. W

przypadku przechwytywania jako wartość aktualna parametru handler przekazywany jest wskaźnik na funkcje, która bedzie wywo lywana asynchronicznie

w reakcji na otrzymanie sygna lu signum.

Funkcja

zwraca

wzkaźnik

poprzednia

funkcja

obs lugi

sygna lu lub odpowiednia sta la (SIG_DFL, SIG_IGN).

kill(pid_t pid, int signum) — wys lanie sygna lu do procesu. Funkcja powoduje wys lanie sygan lu signum do procesu o identyfikatorze pid.