С сообщениями работают четыре системных функции: msgget, которая возвращает (и в некоторых случаях создает) дескриптор сообщения, определяющий очередь сообщений и используемый другими системными функциями, msgctl, которая устанавливает и возвращает связанные с дескриптором сообщений параметры или удаляет дескрипторы, msgsnd, которая посылает сообщение, и msgrcv, которая получает сообщение.
      Синтаксис вызова системной функции msgget:
 
      msgqid = msgget(key, flag);
 
      где msgqid — возвращаемый функцией дескриптор, а key и flag имеют ту же семантику, что и в системной функции типа "get". Ядро хранит сообщения в связном списке (очереди), определяемом значением дескриптора, и использует значение msgqid в качестве указателя на массив заголовков очередей. Кроме вышеуказанных полей, описывающих общие для всего механизма права доступа, заголовок очереди содержит следующие поля:
      • Указатели на первое и последнее сообщение в списке;
      • Количество сообщений и общий объем информации в списке в байтах;
      • Максимальная емкость списка в байтах;
      • Идентификаторы процессов, пославших и принявших сообщения последними;
      • Поля, указывающие время последнего выполнения функций msgsnd, msgrcv и msgctl.
      Когда пользователь вызывает функцию msgget для того, чтобы создать новый дескриптор, ядро просматривает массив очередей сообщений в поисках существующей очереди с указанным идентификатором. Если такой очереди нет, ядро выделяет новую очередь, инициализирует ее и возвращает идентификатор пользователю. В противном случае ядро проверяет наличие необходимых прав доступа и завершает выполнение функции.
      Для посылки сообщения процесс использует системную функцию msgsnd:
 
      msgsnd(msgqid, msg, count, flag);
 
      где msgqid — дескриптор очереди сообщений, обычно возвращаемый функцией msgget, msg — указатель на структуру, состоящую из типа в виде назначаемого пользователем целого числа и массива символов, count — размер информационного массива, flag — действие, предпринимаемое ядром в случае переполнения внутреннего буферного пространства.
 
       алгоритм msgsnd /* послать сообщение */
       входная информация:
        (1) дескриптор очереди сообщений
        (2) адрес структуры сообщения
        (3) размер сообщения
        (4) флаги
       выходная информация: количество посланных байт
       {
        проверить правильность указания дескриптора и наличие соответствующих прав доступа;
        do while (для хранения сообщения не будет выделено место)  {
         if (флаги не разрешают ждать)  return;
         sleep (до тех пор, пока место не освободится);
        }
        получить заголовок сообщения;
        считать текст сообщения из пространства задачи в пространство ядра;
        настроить структуры данных: выстроить очередь заголовков сообщений, установить в заголовке указатель на текст сообщения, заполнить поля, содержащие счетчики, время последнего выполнения операций и идентификатор процесса;
        вывести из состояния приостанова все процессы, ожидающие разрешения считать сообщение из очереди;
       }
       Рисунок 11.4. Алгоритм посылки сообщения
 
      Ядро проверяет (Рисунок 11.4), имеется ли у посылающего сообщение процесса разрешения на запись по указанному дескриптору, не выходит ли размер сообщения за установленную системой границу, не содержится ли в очереди слишком большой объем информации, а также является ли тип сообщения положительным целым числом. Если все условия соблюдены, ядро выделяет сообщению место, используя карту сообщений (см. раздел 9.1), и копирует в это место данные из пространства пользователя. К сообщению присоединяется заголовок, после чего оно помещается в конец связного списка заголовков сообщений. В заголовке сообщения записывается тип и размер сообщения, устанавливается указатель на текст сообщения и производится корректировка содержимого различных полей заголовка очереди, содержащих статистическую информацию (количество сообщений в очереди и их суммарный объем в байтах, время последнего выполнения операций и идентификатор процесса, пославшего сообщение). Затем ядро выводит из состояния приостанова все процессы, ожидающие пополнения очереди сообщений. Если размер очереди в байтах превышает границу допустимости, процесс приостанавливается до тех пор, пока другие сообщения не уйдут из очереди. Однако, если процессу было дано указание не ждать (флаг IPC_NOWAIT), он немедленно возвращает управление с уведомлением об ошибке. На Рисунке 11.5 показана очередь сообщений, состоящая из заголовков сообщений, организованных в связные списки, с указателями на область текста.
       Рисунок 11.5. Структуры данных, используемые в организации сообщений
      Рассмотрим программу, представленную на Рисунке 11.6. Процесс вызывает функцию msgget для того, чтобы получить дескриптор для записи с идентификатором MSGKEY. Длина сообщения принимается равной 256 байт, хотя используется только первое поле целого типа, в область текста сообщения копируется идентификатор процесса, типу сообщения присваивается значение 1, после чего вызывается функция msgsnd для посылки сообщения. Мы вернемся к этому примеру позже.
      Процесс получает сообщения, вызывая функцию msgrcv по следующему формату:
 
      count = msgrcv(id, msg, maxcount, type, flag);
 
      где id — дескриптор сообщения, msg — адрес пользовательской структуры, которая будет содержать полученное сообщение, maxcount — размер структуры msg, type — тип считываемого сообщения, flag — действие, предпринимаемое ядром в том случае, если в очереди сообщений нет. В переменной count пользователю возвращается число прочитанных байт сообщения.
      Ядро проверяет (Рисунок 11.7), имеет ли пользователь необходимые права доступа к очереди сообщений. Если тип считываемого сообщения имеет нулевое значение, ядро ищет первое по счету сообщение в связном списке. Если его размер меньше или равен размеру, указанному пользователем, ядро копирует текст сообщения в пользовательскую структуру и соответствующим образом настраивает свои внутренние структуры: уменьшает счетчик сообщений в очереди и суммарный объем информации в байтах, запоминает время получения сообщения и идентификатор процесса-получателя, перестраивает связный список и освобождает место в системном пространстве, где хранился текст сообщения. Если какие-либо процессы, ожидавшие получения сообщения, находились в состоянии приостанова из-за отсутствия свободного места в списке, ядро выводит их из этого состояния. Если размер сообщения превышает значение maxcount, указанное пользователем, ядро посылает системной функции уведомление об ошибке и оставляет сообщение в очереди. Если, тем не менее, процесс игнорирует ограничения на размер (в поле flag установлен бит MSG_NOERROR), ядро обрезает сообщение, возвращает запрошенное количество байт и удаляет сообщение из списка целиком.
 
       #include ‹sys/types.h›
       #include ‹sys/ipc.h›
       #include ‹sys/msg.h›
       #define MSGKEY 75
       struct msgform {
        long mtype;
        char mtext[256];
       };
       main() {
        struct msgform msg;
        int msgid, pid, *pint;
        msgid = msgget(MSGKEY, 0777);
        pid = getpid();
        pint = (int *) msg.mtext;
        *pint = pid; /* копирование идентификатора процесса в область текста сообщения */
        msg.mtype = 1;
        msgsnd(msgid, &msg, sizeof(int), 0);
        msgrcv(msgid, &msg, 256, pid, 0);
        /* идентификатор процесса используется в качестве типа сообщения */
        printf("клиент: получил от процесса с pid %d\n", *pint);
       }
       Рисунок 11.6. Пользовательский процесс
 
       алгоритм msgrcv /* получение сообщения */
       входная информация:
        (1) дескриптор сообщения
        (2) адрес массива, в который заносится сообщение
        (3) размер массива
        (4) тип сообщения в запросе
        (5) флаги
       выходная информация: количество байт в полученном сообщении
       {
        проверить права доступа;
       loop:
        проверить правильность дескриптора сообщения;
        /* найти сообщение, нужное пользователю */
        if (тип сообщения в запросе == 0)
         рассмотреть первое сообщение в очереди;
        else
       if (тип сообщения в запросе › 0)
           рассмотреть первое сообщение в очереди, имеющее данный тип;
         else /* тип сообщения в запросе ‹ 0 */
          рассмотреть первое из сообщений в очереди с наименьшим значением типа при условии, что его тип не превышает абсолютное значение типа, указанного в запросе;
        if (сообщение найдено)  {
         переустановить размер сообщения или вернуть ошибку, если размер, указанный пользователем слишком мал; скопировать тип сообщения и его текст из пространства ядра в пространство задачи;
         разорвать связь сообщения с очередью;
         return;
        }
        /* сообщений нет */
        if (флаги не разрешают приостанавливать работу)
         return ошибку;
        sleep (пока сообщение не появится в очереди);
        перейти на loop;
       }
       Рисунок 11.7. Алгоритм получения сообщения
 
      Процесс может получать сообщения определенного типа, если присвоит параметру type соответствующее значение. Если это положительное целое число, функция возвращает первое значение данного типа, если отрицательное, ядро определяет минимальное значение типа сообщений в очереди, и если оно не превышает абсолютное значение параметра type, возвращает процессу первое сообщение этого типа. Например, если очередь состоит из трех сообщений, имеющих тип 3, 1 и 2, соответственно, а пользователь запрашивает сообщение с типом -2, ядро возвращает ему сообщение типа 1. Во всех случаях, если условиям запроса не удовлетворяет ни одно из сообщений в очереди, ядро переводит процесс в состояние приостанова, разумеется если только в параметре flag не установлен бит IPC_NOWAIT (иначе процесс немедленно выходит из функции).
      Рассмотрим программы, представленные на Рисунках 11.6 и 11.8. Программа на Рисунке 11.8 осуществляет общее обслуживание запросов пользовательских процессов (клиентов). Запросы, например, могут касаться информации, хранящейся в базе данных; обслуживающий процесс (сервер) выступает необходимым посредником при обращении к базе данных, такой порядок облегчает поддержание целостности данных и организацию их защиты от несанкционированного доступа. Обслуживающий процесс создает сообщение путем установки флага IPC _CREAT при выполнении функции msgget и получает все сообщения типа 1 — запросы от процессов-клиентов. Он читает текст сообщения, находит идентификатор процесса-клиента и приравнивает возвращаемое значение типа сообщения значению этого идентификатора. В данном примере обслуживающий процесс возвращает в тексте сообщения процессу-клиенту его идентификатор, и клиент получает сообщения с типом, равным идентификатору клиента. Таким образом, обслуживающий процесс получает сообщения только от клиентов, а клиент — только от обслуживающего процесса. Работа процессов реализуется в виде многоканального взаимодействия, строящегося на основе одной очереди сообщений.
 
       #include ‹sys/types.h›
       #include ‹sys/ipc.h›
       #include ‹sys/msg.h›
       #define MSGKEY 75
       struct msgform {
        long mtype;
        char mtext[256];
       } msg;
       int msgid;
       main() {
        int i, pid, *pint;
        extern cleanup();
        for (i = 0; i ‹ 20; i++) signal(i, cleanup);
        msgid = msgget(MSGKEY, 0777, IPC_CREAT);
        for (;;) {
         msgrcv(msgid, &msg, 256, 1, 0);
         pint = (int *) msg.mtext;
         pid = *pint;
         printf("сервер: получил от процесса с pid %d\n", pid);
         msg.mtype = pid;
         *pint = getpid();
         msgsnd(msgid, &msg, sizeof(int), 0);
        }
       }
       cleanup() {
        msgctl(msgid, IPC_RMID, 0);
        exit();
       }
       Рисунок 11.8. Обслуживающий процесс (сервер)
 
      Сообщения имеют форму "тип — текст", где текст представляет собой поток байтов. Указание типа дает процессам возможность выбирать сообщения только определенного рода, что в файловой системе не так легко сделать. Таким образом, процессы могут выбирать из очереди сообщения определенного типа в порядке их поступления, причем эта очередность гарантируется ядром. Несмотря на то, что обмен сообщениями может быть реализован на пользовательском уровне средствами файловой системы, представленный вашему вниманию механизм обеспечивает более эффективную организацию передачи данных между процессами.
      С помощью системной функции msgctl процесс может запросить информацию о статусе дескриптора сообщения, установить этот статус или удалить дескриптор сообщения из системы. Синтаксис вызова функции:
 
      msgctl(id, cmd, mstatbuf)
 
      где id — дескриптор сообщения, cmd — тип команды, mstatbuf — адрес пользовательской структуры, в которой будут храниться управляющие параметры или результаты обработки запроса. Более подробно об аргументах функции пойдет речь в Приложении.
      Вернемся к примеру, представленному на Рисунке 11.8. Обслуживающий процесс принимает сигналы и с помощью функции cleanup удаляет очередь сообщений из системы. Если же им не было поймано ни одного сигнала или был получен сигнал SIGKILL, очередь сообщений остается в системе, даже если на нее не ссылается ни один из процессов. Дальнейшие попытки исключительно создания новой очереди сообщений с данным ключом (идентификатором) не будут иметь успех до тех пор, пока старая очередь не будет удалена из системы.

      Процессы могут взаимодействовать друг с другом непосредственно путем разделения (совместного использования) участков виртуального адресного пространства и обмена данными через разделяемую память. Системные функции для работы с разделяемой памятью имеют много сходного с системными функциями для работы с сообщениями. Функция shmget создает новую область разделяемой памяти или возвращает адрес уже существующей области, функция shmat логически присоединяет область к виртуальному адресному пространству процесса, функция shmdt отсоединяет ее, а функция shmctl имеет дело с различными параметрами, связанными с разделяемой памятью. Процессы ведут чтение и запись данных в области разделяемой памяти, используя для этого те же самые машинные команды, что и при работе с обычной памятью. После присоединения к виртуальному адресному пространству процесса область разделяемой памяти становится доступна так же, как любой участок виртуальной памяти; для доступа к находящимся в ней данным не нужны обращения к каким-то дополнительным системным функциям.
      Синтаксис вызова системной функции shmget:
 
      shmid = shmget(key, size, flag);
 
      где size — объем области в байтах. Ядро использует key для ведения поиска в таблице разделяемой памяти: если подходящая запись обнаружена и если разрешение на доступ имеется, ядро возвращает вызывающему процессу указанный в записи дескриптор. Если запись не найдена и если пользователь установил флаг IPC_CREAT, указывающий на необходимость создания новой области, ядро проверяет нахождение размера области в установленных системой пределах и выделяет область по алгоритму allocreg (раздел 6.5.2). Ядро записывает установки прав доступа, размер области и указатель на соответствующую запись таблицы областей в таблицу разделяемой памяти (Рисунок 11.9) и устанавливает флаг, свидетельствующий о том, что с областью не связана отдельная память. Области выделяется память (таблицы страниц и т. п.) только тогда, когда процесс присоединяет область к своему адресному пространству. Ядро устанавливает также флаг, говорящий о том, что по завершении последнего связанного с областью процесса область не должна освобождаться. Таким образом, данные в разделяемой памяти остаются в сохранности, даже если она не принадлежит ни одному из процессов (как часть виртуального адресного пространства последнего).
       Рисунок 11.9. Структуры данных, используемые при разделении памяти
      Процесс присоединяет область разделяемой памяти к своему виртуальному адресному пространству с помощью системной функции shmat:
 
      virtaddr = shmat(id, addr, flags);
 
      Значение id, возвращаемое функцией shmget, идентифицирует область разделяемой памяти, addr является виртуальным адресом, по которому пользователь хочет подключить область, а с помощью флагов (flags) можно указать, предназначена ли область только для чтения и нужно ли ядру округлять значение указанного пользователем адреса. Возвращаемое функцией значение, virtaddr, представляет собой виртуальный адрес, по которому ядро произвело подключение области и который не всегда совпадает с адресом, указанным пользователем.
      В начале выполнения системной функции shmat ядро проверяет наличие у процесса необходимых прав доступа к области (Рисунок 11.10). Оно исследует указанный пользователем адрес; если он равен 0, ядро выбирает виртуальный адрес по своему усмотрению.
      Область разделяемой памяти не должна пересекаться в виртуальном адресном пространстве процесса с другими областями; следовательно, ее выбор должен производиться разумно и осторожно. Так, например, процесс может увеличить размер принадлежащей ему области данных с помощью системной функции brk, и новая область данных будет содержать адреса, смежные с прежней областью; поэтому, ядру не следует присоединять область разделяемой памяти слишком близко к области данных процесса. Так же не следует размещать область разделяемой памяти вблизи от вершины стека, чтобы стек при своем последующем увеличении не залезал за ее пределы. Если, например, стек растет в направлении увеличения адресов, лучше всего разместить область разделяемой памяти непосредственно перед началом области стека.
 
       алгоритм shmat /* подключить разделяемую память */
       входная информация:
        (1) дескриптор области разделяемой памяти
        (2) виртуальный адрес для подключения области
        (3) флаги
       выходная информация: виртуальный адрес, по которому область подключена фактически
       {
        проверить правильность указания дескриптора, права доступа к области;
        if (пользователь указал виртуальный адрес)  {
         округлить виртуальный адрес в соответствии с флагами;
         проверить существование полученного адреса, размер области;
        }
        else /* пользователь хочет, чтобы ядро само нашло подходящий адрес */
         ядро выбирает адрес: в случае неудачи выдается ошибка;
        присоединить область к адресному пространству процесса (алгоритм attachreg);
        if (область присоединяется впервые)
         выделить таблицы страниц и отвести память под нее (алгоритм growreg);
        return (виртуальный адрес фактического присоединения области);
       }
       Рисунок 11.10. Алгоритм присоединения разделяемой памяти
 
      Ядро проверяет возможность размещения области разделяемой памяти в адресном пространстве процесса и присоединяет ее с помощью алгоритма attachreg. Если вызывающий процесс является первым процессом, который присоединяет область, ядро выделяет для области все необходимые таблицы, используя алгоритм growreg, записывает время присоединения в соответствующее поле таблицы разделяемой памяти и возвращает процессу виртуальный адрес, по которому область была им подключена фактически.
      Отсоединение области разделяемой памяти от виртуального адресного пространства процесса выполняет функция
 
      shmdt(addr)
 
      где addr — виртуальный адрес, возвращенный функцией shmat. Несмотря на то, что более логичной представляется передача идентификатора, процесс использует виртуальный адрес разделяемой памяти, поскольку одна и та же область разделяемой памяти может быть подключена к адресному пространству процесса несколько раз, к тому же ее идентификатор может быть удален из системы. Ядро производит поиск области по указанному адресу и отсоединяет ее от адресного пространства процесса, используя алгоритм detachreg (раздел 6.5.7). Поскольку в таблицах областей отсутствуют обратные указатели на таблицу разделяемой памяти, ядру приходится просматривать таблицу разделяемой памяти в поисках записи, указывающей на данную область, и записывать в соответствующее поле время последнего отключения области.
      Рассмотрим программу, представленную на Рисунке 11.11. В ней описывается процесс, создающий область разделяемой памяти размером 128 Кбайт и дважды присоединяющий ее к своему адресному пространству по разным виртуальным адресам. В "первую" область он записывает данные, а читает их из "второй" области. На Рисунке 11.12 показан другой процесс, присоединяющий ту же область (он получает только 64 Кбайта, таким образом, каждый процесс может использовать разный объем области разделяемой памяти); он ждет момента, когда первый процесс запишет в первое принадлежащее области слово любое отличное от нуля значение, и затем принимается считывать данные из области. Первый процесс делает "паузу" (pause), предоставляя второму процессу возможность выполнения; когда первый процесс принимает сигнал, он удаляет область разделяемой памяти из системы.
      Процесс запрашивает информацию о состоянии области разделяемой памяти и производит установку параметров для нее с помощью системной функции shmctl:
 
      shmctl(id, cmd, shmstatbuf);
 
      Значение id идентифицирует запись таблицы разделяемой памяти, cmd определяет тип операции, а shmstatbuf является адресом пользовательской структуры, в которую помещается информация о состоянии области. Ядро трактует тип операции точно так же, как и при управлении сообщениями. Удаляя область разделяемой памяти, ядро освобождает соответствующую ей запись в таблице разделяемой памяти и просматривает таблицу областей: если область не была присоединена ни к одному из процессов, ядро освобождает запись таблицы и все выделенные области ресурсы, используя для этого алгоритм freereg (раздел 6.5.6). Если же область по-прежнему подключена к каким-то процессам (значение счетчика ссылок на нее больше 0), ядро только сбрасывает флаг, говорящий о том, что по завершении последнего связанного с нею процесса область не должна освобождаться. Процессы, уже использующие область разделяемой памяти, продолжают работать с ней, новые же процессы не могут присоединить ее. Когда все процессы отключат область, ядро освободит ее. Это похоже на то, как в файловой системе после разрыва связи с файлом процесс может вновь открыть его и продолжать с ним работу.

      Системные функции работы с семафорами обеспечивают синхронизацию выполнения параллельных процессов, производя набор действий единственно над группой семафоров (средствами низкого уровня). До использования семафоров, если процессу нужно было заблокировать некий ресурс, он прибегал к созданию с помощью системной функции creat специального блокирующего файла. Если файл уже существовал, функция creat завершалась неудачно, и процесс делал вывод о том, что ресурс уже заблокирован другим процессом. Главные недостатки такого подхода заключались в том, что процесс не знал, в какой момент ему следует предпринять следующую попытку, а также в том, что блокирующие файлы случайно оставались в системе в случае ее аварийного завершения или перезагрузки.
      Дийкстрой был опубликован алгоритм Деккера, описывающий реализацию семафоров как целочисленных объектов, для которых определены две элементарные операции: P и V (см. [Dijkstra 68]). Операция P заключается в уменьшении значения семафора в том случае, если оно больше 0, операция V — в увеличении этого значения (и там, и там на единицу). Поскольку операции элементарные, в любой момент времени для каждого семафора выполняется не более одной операции P или V. Связанные с семафорами системные функции являются обобщением операций, предложенных Дийкстрой, в них допускается одновременное выполнение нескольких операций, причем операции уменьшения и увеличения выполняются над значениями, превышающими 1. Ядро выполняет операции комплексно; ни один из посторонних процессов не сможет переустанавливать значения семафоров, пока все операции не будут выполнены. Если ядро по каким-либо причинам не может выполнить все операции, оно не выполняет ни одной; процесс приостанавливает свою работу до тех пор, пока эта возможность не будет предоставлена.
      Семафор в версии V системы UNIX состоит из следующих элементов:
      • Значение семафора,
      • Идентификатор последнего из процессов, работавших с семафором,
      • Количество процессов, ожидающих увеличения значения семафора,
      • Количество процессов, ожидающих момента, когда значение семафора станет равным 0.
      Для создания набора семафоров и получения доступа к ним используется системная функция semget, для выполнения различных управляющих операций над набором — функция semctl, для работы со значениями семафоров — функция semop.
 
       #include ‹sys/types.h›
       #include ‹sys/ipc.h›
       #include ‹sys/shm.h›
       #define SHMKEY 75
       #define K 1024
       int shmid;
       main() {
        int i, *pint;
        char *addr1, *addr2;
        extern char *shmat();
        extern cleanup();
        for (i = 0; i ‹ 20; i++) signal(i, cleanup);
        shmid = shmget(SHMKEY, 128*K, 0777IPC_CREAT);
        addr1 = shmat(shmid, 0, 0);
        addr2 = shmat(shmid, 0, 0);
        printf("addr1 0x%x addr2 0x%x\n", addr1, addr2);
        pint = (int *) addr1;
        for (i = 0; i ‹ 256, i++) *pint++ = i;
        pint = (int *) addr1;