SYSTEMY OPERACYJNE
Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych nr 11,12,13
Prowadzący: dr hab. inż. Antoni Donigiewicz
Wykonał: Szymon Puacz I6Y2S1
I. Semafory
Semafory są strukturami danych wspólnie użytkowanymi przez kilka procesów. Najczęściej znajdują
one zastosowanie w synchronizowaniu działania kilku procesów korzystających ze wspólnego
zasobu, przez co zapobiegają niedozwolonemu wykonaniu operacji na określonych danych
jednocześnie przez większą liczbę procesów.
Z każdym semaforem z zestawu jest skojarzona struktura typu sem:
struct sem{
ushort semval // wartość semafora
pid_t sempid // identyfikator procesu ostatnio wykonującego operację na semaforze
ushort semncnt //liczba procesów, które czekają aż wartość semafora będzie zwiększona
ushort semzcnt //liczba procesów które czekają aż semafor osiągnie wartość 0
}
Funkcje umożliwiające synchronizację za pomocą semaforów zdefiniowane są w plikach
<sys/types.h>, <sys/ipc.h> oraz <sys/sem.h>.
Funkcje systemowe obsługujące zestawy semaforów i ich argumenty.
● int semget (key_t key, int nsems, int semflags)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: identyfikator zestawu semaforów
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
key -liczba, która identyfikuje zestaw semaforów
nsems - liczba semaforów w zestawie, używana przez system podczas rezerwowania miejsca na
strukture sem, poindeksowana od 0
semflags - wskazuje prawa dostępu i/lub dodatkowe opcje dla tworzonego zestawu semaforów
( IPC_CREAT, IPC_EXCL, które połączone są operatorem OR)
UWAGI:
Utworzenie lub pobranie identyfikatora tablicy semaforów. Funkcja tworzy tablicę składającą się z
nsems semaforów, jeśli tablica o kluczu key jeszcze nie istnieje i zwraca na podstawie klucza
identyfikator tej tablicy. Parametr semflg umożliwia przekazanie praw dostępu do tablicy semaforów
oraz pewnych dodatkowych flag definiujących sposób jej tworzenia (np. IPC_CREAT), połączonych
z prawami dostępu operatorem sumy bitowej.
IPC_PRIVATE nie jest flagą tylko szczególną wartością key_t. Jeśli wartość ta zostanie użyta jako
wartość klucza, to system uwzględni jedynie bity uprawnień parametru msgflg i zawsze będzie
próbować utworzyć nową kolejkę.
● int semctl (int semid, int semnum ,int cmd, union semun ctl_arg)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: żądana wartość całkowita
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
semid - identyfikator zestawu semaforów
semnum - liczba semaforów w zestawie
cmd - całkowitoliczbowa wartość reprezentująca polecenie
ctl_arg - w zależności od wykonywanej przez funkcję czynności jest to wskaźnik do struktury
semid_ds, lub adres bazowy tablicy liczb typu short int
UWAGI:
Zastosowania funkcji semctl:
● ustawienie początkowej wartości semafora
● zbadanie zmiany właściciela semafora, praw dostępu do niego, czasu ostatniej zmiany, ilości
procesów oczekujących na semafor i identyfikatora procesu ostatnio zmieniającego wartość
semafora, itd.
● Operacje kontrolne na pojedynczym semaforze lub ich zestawie.
Drugim argumentem funkcji może być wartość 0, która pojawia się wówczas, gdy funkcja semctl ma
wykonać operację, podczas której liczba semaforów w zestawie nie ma znaczenia.
Wartość pola cmd może należeć do jednej z trzech grup:
1. tradycyjne operacje IPC
• IPC_STAT - zwraca wartości struktury semid_ds dla semafora (lub zestawu) o identyfikatorze semid, informacja jest umieszczana w strukturze wskazywanej przez 4
argument funkcji semctl
• IPC_SET - modyfikuje wartości struktury semid_ds
• IPC_RMID - usuwa zestaw semaforów o identyfikatorze semid z systemu
2. operacje na pojedynczym semaforze (dotyczą semafora określonego przez semnum):
• GETVAL - zwraca wartość semafora (semval), wskazywanego argumentem semnum
• SETVAL - nadaje wartość określoną czwartym argumentem funkcji semaforowi o numerze
semnum
• GETPID - zwraca wartość sempid
• GETNCNT - pobranie liczby procesów oczekujących na to, aż semafor wskazywany przez
semnum zwiększy swoją wartość
• GETZCNT - pobranie liczby procesów oczekujących na to, aż semafor wskazywany przez
semnum osiągnie wartość zero
3. operacje na wszystkich semaforach:
• GETALL - pobranie bieżących parametrów całego zestawu semaforów i zapisanie
uzyskanych wartości w tablicy wskazanej czwartym argumentem funkcji
• SETALL - zainicjowanie wszystkich semaforów z zestawu wartościami przekazanymi w
tablicy określonej przez wskaźnik przekazany czwartym argumentem funkcji
Ostatni argument funkcji jest unią:
union semun (
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array
)
● int semop (int semid, stuct sembuf *sops, unsigned nsops)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: 0
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
semid - identyfikator zestawu semaforów
sops - wskaźnik na adres bazowy tablicy operacji semaforowych, które zostaną wykonane na
zestawie semaforów określonym wartością semid
nsops - liczba elementów tablicy operacji semaforowych
UWAGI:
Wykonanie operacji semaforowej. Operacja semaforowa może być wykonywana jednocześnie na
kilku semaforach w tej samej tablicy identyfikowanej przez semid. Każdy element tablicy opisuje
jedną operację semaforową i ma następującą strukturę:
struct sembuf {
short sem_num; /* numer semafora - od 0 */
short sem_op; /* operacja semaforowa */
short sem_flg; /* flagi operacji */
};
Pole sem_op zawiera wartość, która zostanie dodana do zmiennej semaforowej pod warunkiem, że
zmienna semaforowa nie osiągnie w wyniku tej operacji wartości mniejszej od 0. Dodatnia liczba
całkowita oznacza zwiększenie wartości semafora (co z reguły oznacza zwolnienie zasobu), ujemna
wartość sem_op oznacza zmniejszenie wartości semafora (próbę pozyskania zasobu), a 0 -
testowanie, czy semafor jest równy 0, czyli czy wszystkie zasoby są zajęte.
Funkcja semop podejmuje próbę wykonania wszystkich operacji wskazywanych przez sops. Gdy
chociaż jedna z operacji nie będzie możliwa do wykonania nastąpi blokada procesu lub błąd
wykonania funkcji semop, zależnie od ustawienia flagi IPC_NOWAIT i żadna z operacji
semaforowych zdefiniowanych w tablicy sops nie zostanie wykonana. Flagi określają dodatkowe
cechy operacji (np. IPC_NOWAIT - jeżeli operacja na semaforze nie zostać przeprowadzona
wywołanie zostaje natychmiast zakończone, SEM_UNDO - jeżeli nie użyto znacznika
IPC_NOWAIT, umożliwia cofnięcie operacji blokującej która kończy sie parokrotnie
niepowodzeniem).
Pamięć współdzielona.
Pamięć współdzielona jest specjalnie utworzonym segmentem wirtualnej przestrzeni adresowej, do
którego dostęp może mieć wiele procesów. Jest to najszybszy sposób komunikacji pomiędzy
procesami.
Funkcje systemowe obsługujące pamięć współdzieloną i ich argumenty.
● int shmget (key_t key, size_t size, int shmflags)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: identyfikator segmentu pamięci współdzielonej
zakończenie błędne: -1
Możliwe kody błędów (errno) w przypadku błędnego zakończenie funkcji:
EACCES - brak brak praw dostępu
ENOENT - segment pamięci nie istnieje
EIDRM - segment pamięci został usunięty
EINVAL - nieprawidłowy rozmiar segmentu pamięci
ENOMEM - nie ma wystarczająco dużo miejsca by stworzyć segment pamięci współdzielonej
EEXIST - segment pamięci współdzielonej istnieje
Argumenty funkcji:
key - wartość klucza, który identyfikuje segment pamięci współdzielonej (podobnie jak w
przypadku kolejek komunikatów może to być dowolna liczba lub stała IPC_PRIVATE)
size - wielkość segmentu pamięci współdzielonej (w bajtach)
shmflags - prawa dostępu do pamięci współdzielonej (z prawami dostępu mogą zostać użyte
znaczniki IPC_CREAT, IPC_EXCL, ich działanie jest analogiczne jak w przypadku funkcji msgget)
UWAGI:
Funkcja shmget służy do tworzenia segmentu pamięci współdzielonej i do uzyskiwania dostępu fo
już istniejących segmentów pamięci. W drugim przypadku wartością parametru size może być 0,
ponieważ rozmiar segmentu został już wcześniej zadeklarowany przez proces, który go utworzył.
● int shmctl (int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: 0
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
shmid - identyfikator pamięci współdzielonej
cmd - stała specyfikująca rodzaj operacji
• cmd = IPC_STAT - pozwala uzyskać informację o stanie pamięci współdzielonej
• cmd = IPC_SET - pozwala zmienić parametry segmentu pamięci
• cmd = IPC_RMID - pozwala usunąć segment pamięci współdzielonej z systemu
buf - wskaźnik na zmienną strukturalną przez którą przekazywane są parametry operacji
UWAGI:
Funkcja odpowiada funkcji msgctl. Przy próbie usunięcia segmentu odwzorowanego na przestrzeń
adresową procesu system odpowiada komunikatem o błędzie.
Jeśli w wywołaniu funkcji użyje się stałej IPC_RMID, to wartość argumentu buf należy wyzerować,
rzutując 0 na typ (shmid_ds *).
● char* shmat (int shmid, char* shmaddr, int shmflg)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: wskaźnik do segmentu danych, do którego jest dowiązana pamięć
współdzielona.
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
shmid - identyfikator pamięci współdzielonej zwracany przez funkcję shmget
shmaddr - adres dla tworzonego segmentu pamięci współdzielonej lub wartość NULL, która
powoduje, że segment dołączany jest w miejscu wybranym przez system (użytkownik nie musi znać
rozmieszczenia programu w pamięci)
shmflg - określa uprawnienia do segmentu pamięci współdzielonej i specjalne warunki dowiązania
UWAGI:
Ponieważ pamięć jest alokowana przy wywołaniu funkcji shmat nie ma potrzeby używania funkcji
malloc przy umieszczaniu danych w segmencie.
Domyślnie dowiązane segmenty są dostępne w trybie do zapisu i odczytu. W przypadku gdy
segment ma segmentem tylko do odczytu, argument shmflg można połączyć operatorem OR ze
znacznikiem SHM_RDONLY. Natomiast gdy dla shmflg jest ustawiony znacznik SHM_RND, to
przy wywołaniu funkcji adres shmaddr jest zaokrąglany w dół do granicy strony w pamięci, a w
przeciwnym razie pobierana jest wartość podana jako argument wejściowy.
● char* shmdt (char* shmaddr)
Wartości zwracane:
poprawne wykonanie funkcji: 0
zakończenie błędne: -1
Argumenty funkcji:
shmaddr - adres stworzonego segmentu pamięci współdzielonej
UWAGI:
Odłączenie segmentu pamięci współdzielonej. Odłączenie to powinno nastąpić po zakończeniu pracy
z danym segmentem. Po wywołaniu funkcji shmdt licznik dołączeń do segmentu jest zmniejszany o
1. Przykład usunięcia segmentu pamięci:
struct shmid_ds shm_desc;
shmctl(shm_id, IPC_RMID, shm_desc)
Wątki
Wątki określane są jako wydzielone sekwencje przewidzianych do wykonania instrukcji, które są
realizowane w ramach jednego procesu. Każdy wątek ma swój własny stos, zestaw rejestrów, licznik
programowy, indywidualne dane, zmienne lokalne, i informację o stanie. Wszystkie wątki danego
procesu mają jednak tę samą przestrzeń adresową., ogólną obsługę sygnałów, pamięć wirtualną,
dane oraz wejście-wyjście. W ramach procesu wielowątkowego każdy wątek wykonuje się
oddzielnie i asynchronicznie.
Funkcje systemowe służące do tworzenia wątków
● pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void*
(*start_routine) (void*),void *arg) —
utworzenie wątku. Wątek wykonuje funkcję wskazywaną przez parametr start_routine.
Parametry funkcji muszą być przekazane przez wskaźnik na obszar pamięci (strukturę),
który zawiera odpowiednie wartości. Wskaźnik ten jest przekazywany przez parametr arg i
jest dalej przekazywany jako parametr aktualny do funkcji wykonywanej przez wątek.
Parametr attr wskazuje na atrybuty wątku, a przez wskaźnik thread zwracany jest
identyfikator wątku.
● pthread_exit(void *retval) —
zakończenie wątku. Funkcja powoduje zakończenie wątku i przekazanie retval, jako
wskaźnika na wynik. Wskaźnik ten może zostać przejęty przez inny wątek, który będzie
wykonywał funkcję pthread_join.
● pthread_join(pthread_t th, void **thread_return) —
oczekiwanie na zakończenie wątku. Funkcja umożliwia zablokowanie wątku w oczekiwaniu
na zakończenie innego wątku, identyfikowanego przez parametr th. Jeśli oczekiwany wątek
zakończył się wcześniej, funkcja zakończy się natychmiast. Funkcja przekazuje przez
parametr thread_return wskaźnik na wynik wątku (wykonywanej przez niego funkcji),
przekazany jako parametr funkcji pthread_exit wywołanej w zakończonym wątku.
● pthread_cancel(pthread_t thread) —
zakończenie wykonywania innego wątku. Funkcja umożliwia wątkowi usunięcie z systemu
innego wątku, identyfikowanego przez parametr thread.
III. Funkcje systemowe służące do synchronizacji wątków
1) Wzajemne wykluczanie:
Do zapewnienia wzajemnego wykluczania używana jest zmienna (o przykładowej nazwie mutex),
zadeklarowana następująco:
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
● pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) —
zajęcie zamka. Funkcja powoduje zajęcie zamka wskazywanego przez parametr mutex,
(zajęcie sekcji krytycznej) poprzedzone ewentualnym zablokowaniem wątku do czasu
zwolnienia zamka, jeśli został on wcześniej zajęty przez inny wątek.
● pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) —
zwolnienie zamka. Funkcja powoduje zwolnienie zamka wskazywanego przez parametr
mutex (zwolnienie sekcji krytycznej), umożliwiając jego zajęcie innemu wątkowi.
● pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex) —
próba zajęcia zamka. Funkcja powoduje zajęcie zamka wskazywanego przez parametr
mutex, jeśli nie jest zajęty przez inny wątek. W przeciwnym przypadku zwraca błąd, nie
blokując tym samym procesu.
2) Zmienne warunkowe
Synchronizacja za pomocą zmiennych warunkowych polega na usypianiu i budzeniu wątku w sekcji
krytycznej. W tym celu używana jest zmienna warunkowa (o przykładowej nazwie cond),
zadeklarowana następująco:
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
● pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) —
oczekiwanie na sygnał. Funkcja powoduje uśpienie wątku na zmiennej warunkowej,
wskazywanej przez parametr cond. Na czas uśpienia wątek zwalnia zamek, wskazywany
przez parametr mutex, udostępniając tym samym sekcję krytyczną innym wątkom. Po
obudzeniu i wyjściu z funkcji (na skutek odebraniu sygnału wysłanego przez
pthread_cond_signal) zamek zajmowany jest ponownie.
● pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) —
wysłanie sygnału (obudzenie) do jednego z oczekujących na zmiennej warunkowej
wskazywanej przez cond.
2