| netlib.narod.ru | < Назад | Оглавление | Далее > |
Термин «разделяемая память» точно соответствует своему названию: резервируется область памяти и к ней предоставляется доступ набору процессов. Поскольку это касается и вопросов взаимодействия, и вопросов управления памятью, в настоящем разделе упоминается материал, приведенный ранее в этой главе, а также материал главы 8.
Разделяемая память по своему быстродействию намного превосходит два других механизма взаимодействия между процессами, рассматриваемые в этой главе, и она проще в использовании: процесс после ее приобретения рассматривает ее просто как обычную память. Изменения, записанные в разделяемую память одним процессом, сразу же становятся очевидными для всех других процессов — они могут просто выполнить чтение через указатель, который указывает на пространство разделяемой памяти, а там, как по взмаху волшебной палочки, уже находится новое значение. Однако в разделяемой памяти типа System V нет встроенного способа обеспечения взаимного исключения: может оказаться, что один процесс пишет по данному адресу в области разделяемой памяти одновременно с тем, как другой процесс читает по тому же адресу, в результате чего программа чтения получает противоречивые данные. Эта проблема наиболее серьезна для компьютеров с симметричной мультипроцессорной архитектурой, но она может возникать и на однопроцессорных компьютерах: например, когда программа записи потеряет управление и перейдет в неактивное состояние в ходе записи какой-то крупной структуры в пространство разделяемой памяти, а программа чтения выполнит чтение из разделяемой памяти до того, как программа записи получит возможность закончить запись.
В результате, в процессах, использующих разделяемую память, нужно что-то предусмотреть для обеспечения тщательного отделения операций чтения от операций записи (и, если подумать, операций записи друг от друга). Исчерпывающее описание блокировок и связанных с ними понятий атомарных операций приведено в следующей главе. Но нам уже известен способ обеспечения взаимоисключающего доступа к области разделяемой памяти: применение семафоров. Идея состоит в приобретении семафора, доступе к области памяти, выполнении всех запланированных действий, а затем освобождении семафора после выполнения этой работы.
Разделяемая память может применяться в основном в таких же целях, как и очереди сообщений: процесс планировщика может записывать запрос на выполнение работы в одной части области разделяемой памяти, а рабочие процессы могут записывать результаты в другой части. Это значит, что общее пространство для запросов и результатов должно быть заранее разграничено приложением, но планирование и запись результатов выполняются быстрее по сравнению с очередями сообщений.
Область разделяемой памяти не обязана выглядеть для каждого процесса как имеющая один и том же адрес. Если и процесс А, и процесс В используют одну и ту же область разделяемой памяти, процесс А может обращаться к ней по одному адресу, а процесс В — по другому. Безусловно, каждая страница области разделяемой памяти будет отображена не более, чем на одну физическую страницу. Механизмы виртуальной памяти, описанные в предыдущей главе, просто применяют разные преобразования к логическим адресам каждого процесса.
В коде ядра области разделяемой памяти называются сегментами, то есть применяется та же терминология, которая иногда ошибочно применяется к областям VMA. Только для того, чтобы предотвратить какую-либо путаницу, отметим, что это — неформальное применение данного слова; оно не относится к сегментам, поддерживаемым на уровне аппаратного обеспечения (MMU), которые описаны в главе 8. Автор будет и далее использовать термин «область», чтобы избежать этой путаницы.
Программным код разделяемой памяти по своей конструкции и реализации имеет много общего с программным кодом очередей сообщений и семафоров. В результате, нет необходимости рассматривать входящие в его состав функции shm_init (строка 21482) и findkey (строка 21493). По тем же причинам, описание некоторых оставшихся функций и структур данных сокращено.
17042: Немного нарушая сложившийся подход, разработчики ядра создали тип данных struct shmid_ds не в качестве структуры данных ядра для отслеживания областей разделяемой памяти. Вместо этого, struct shmid_ds содержит основную часть этой информации, все остальное размещается в объекте struct shmid_kernel, рассматриваемом ниже. Следующие члены объекта struct shmid_ds отличаются от соответствующих членов его аналогов:
17056: Объект struct shmid_kernel существует как средство отделения «закрытой» информации, относящейся к разделяемой памяти, от «общедоступной» информации. Части объекта struct shmid_ds, к которым можно предоставить доступ пользовательским приложениям, остаются в объекте struct shmid_ds, a закрытая информация, связанная с ядром, размещается в объекте struct shmid_kernel. Пользовательские приложения должны иметь возможность передавать объект struct shmid_ds системному вызову shmctl, поэтому они должны иметь доступ к определению этого объекта, а закрытые подробности реализации, относящиеся к ядру, не должны быть выставлены на всеобщее обозрение в определении этого объекта. В ином случае, изменение реализации ядра может привести к нарушению работы приложения. Объект struct shmid_kernel имеет следующие члены:
21511: Данная функция является аналогом функций newque и newary. Она распределяет и инициализирует объект struct shmid_kernel, а затем устанавливает его в массив shm_segs.
21537: Распределение «таблицы страниц». Если бы эта программная реализация была построена по аналогии с другими механизмами межпроцессного взаимодействия, то эта память была бы распределена сразу после объекта struct shmid_kernel полностью в составе единственного большого распределения. Однако память для объекта struct shmid_kernel распределяется функцией kmalloc (в невыгружаемой памяти ядра), а «таблица страниц» распределяется функцией vmalloc (в выгружаемой памяти).
21546: Инициализация распределенного входа, начиная с обнуления таблицы страниц.
21573: Это, безусловно, аналог функций sys_msgget и sys_semget. Единственным новым средством является применяемое в этой функции приобретение и освобождение семафора объекта struct mm_struct данного процесса. Это семафор ядра, который не следует путать с семафором типа System V; семафоры ядра рассматриваются в главе 10.
21610: Эта функция представляет собой аналог функций freeque и freeary. Ее программная реализация в основном аналогична этим функциям, но несколько ее средств заслуживают отдельного упоминания.
21616: Если программа killseg вызывается с индексом незанятого элемента shm_segs, она выводит предупреждающее сообщение и немедленно выполняет возврат. Ни в одном из ее аналогов нет подобного кода.
21629: Если член shm_pages данного входа имеет значение NULL, то где-то есть логическая ошибка. Это значит, что был не полностью построен объект struct shmid_kernel, или он был уничтожен, но не удален из массива, или возникло какое-то подобное «невероятное» состояние.
21635: Освобождение страниц, распределенных для данной таблицы страниц.
21638: Если в таблице страниц нет отображения для этой страницы, то для освобождения этого входа ничего не нужно делать.
21640: Если страница присутствует в физической памяти, она возвращается в пул доступных страниц и число резидентных страниц уменьшается.
21643: В ином случае, она находится в области подкачки, и освобождается и удаляется оттуда.
21648: Освобождение самой таблицы страниц.
21654: Функция sys_shmctl, безусловно, является аналогом функций sys_msgctl и sys_semctl и имеет с ними много общего. Здесь рассматриваются только две команды, относящиеся к управлению разделяемой памятью.
21733: Команда SHM_UNLOCK обратна SHM_LOCK, оператор case которой показан в строке 21742. Команда SHM_LOCK позволяет процессу с достаточными возможностями заблокировать целую область в физической памяти и предотвратить ее выгрузку на диск. Команда SHM_UNLOCK разблокирует заблокированную область, так что содержащиеся в ней страницы снова становятся доступными для свопинга. В обоих этих случаях выполняется не слишком много работы: в них только выполняется проверка того, что вызывающая программа имеет соответствующие возможности, а также того, что область, которая должна быть разблокирована, в настоящее время заблокирована (или наоборот), а затем установка или очистка соответствующего бита режима. Но это все, что должно быть сделано и результат появляется в функции shm_swap (строка 22172).
Обратите внимание, что существует отдельная возможность блокировки и разблокировки разделяемой памяти, CAP_IPC_LOCK (строка 14021).
21823: Эта короткая функция просто добавляет область VMA к списку областей VMA, подключенных к данному объекту struct shmid_kernel. Обратите внимание, что область VMA подключается с начала этого списка, поскольку порядок не играет роли и проще всего выполнить это действие именно так. В ином случае, пришлось бы отдельно отслеживать начало и конец списка attaches.
21833: Эта функция удаляет область VMA из списка, подключенного к данному объекту shmid_kernel. Интересной особенностью этой функции является то, что она не зависит от своего параметра shp: указатель на список attaches параметра shp был записан в первой области VMA в списке в строке 21829, а процедура обновления списка является одинаковой, независимо от того, является ли область VMA первой в списке (если это так, то обновляется также соответствующий список attaches).
21898: Эта функция реализует системный вызов shmat, с помощью которого вызывающий процесс подключается к области разделяемой памяти.
21923: Дальнейшее нам уже немного знакомо: с учетом настройки функция sys_shmat начинает прорабатывать адрес, по которому эта область разделяемой памяти должна появиться в пространстве памяти вызывающего процесса. Вначале она проверяет адрес, переданный вызывающей программой. Если он равен NULL и флажок SHM_REMAP не установлен (см. строку 21959), запрос должен быть отвергнут, поскольку чтение или запись по адресу NULL являются недопустимыми.
21929: Вызывающая программа передала NULL в качестве целевого адреса, а это значит, что функция sys_shmat должна выбрать адрес в пространстве памяти процесса. Подходящий для этого адрес предоставляется функцией get_unmapped_area (строка 33432), которая была мельком упомянута в предыдущей главе. Если она возвращает 0 (значение, эквивалентное NULL во всех архитектурах, поддерживаемых этим ядром), это значит, что не удалось найти ни одной области подходящей величины.
21932: Если подходящий адрес еще не лежит точно на границе страницы, он округляется в большую сторону, к границе следующей страницы, расположенной в направлении старших адресов, а затем вместо него проверяется откорректированный адрес. Функция get_unmapped_area возвращает первый доступный адрес, равный данному или расположенный выше него, поэтому, если доступен адрес, округленный в большую сторону, он и будет использоваться.
Это позволяет понять, почему адрес округляется в большую, а не меньшую сторону (что было бы быстрее и проще): если бы функция sys_shmat округляла в меньшую сторону и адрес, округленный в меньшую сторону, был бы недоступен, то этот код вошел бы в бесконечный цикл. Следующий вызов функции get_unmapped_area приводил бы к просмотру в направлении старших адресов, начиная от адреса, округленного в меньшую сторону, и возвращал бы первоначальное неокругленное подходящее значение, которое было бы снова округлено в меньшую сторону, распознано как непригодное и снова передано функции get_unmapped_area.
Обратите внимание, что здесь для определения пригодности адреса используется значение SHMLBA (строка 11777), а не PAGE_SIZE (строка 10791). Однако можно видеть, что значение SHMLBA директивой #define установлено равным PAGE_SIZE, поэтому не имеет значение, какое из них здесь используется.
Но если значения SHMLBA и PAGE_SIZE одинаковы, то почему бы не убрать одно из них? Ответ состоит в том, что значение SHMLBA равно PAGE_SIZE на большинстве платформ, но не на всех. В архитектуре MIPS величина PAGE_SIZE равна 4 Кб и в системе Linux значение SHMLBA определено директивой #define равным огромному числу 0x40000 (256 Кб), причем в комментарии указано, что такое большое значение было выбрано в качестве соответствия интерфейсу ABI (Application Binary Interface) компании SGI для компьютеров на основе MIPS. Однако в описании интерфейса ABI версий 2 и 3 для MIPS явно сказано, что значение SHMLBA «может принимать разные значения в соответствующих реализациях», поэтому непонятно, почему разработчики ядра предположили, что от них потребуют придерживаться величины в 256 Кб. Возможно, это значение требовалось для самой первой версии ABI, но автор просмотрел все предыдущие версии ABI, вплоть до 1.2, и не нашел такого требования.
Кроме того, в системе SPARC-64 значение SHMLBA вдвое превышает PAGE_SIZE; к сожалению, в коде нет объяснения причин этого различия.
21936: Иначе, вызывающая программа передала предложенный адрес. Если это необходимо и допустимо, адрес округляется в меньшую сторону.
21945: Проверка того, что блок памяти размером len, начинающийся с выбранного адреса, поместится в допустимом пространстве памяти процесса. (Значение len вычисляется на несколько строк раньше, в строке 21943.) Эта проверка явно необходима, если вызывающая программа передает подходящий адрес и, на первый взгляд, она также, видимо, нужна, когда функция sys_shmat выбирает адрес с использованием функции get_unmapped_area. Функция get_unmapped_area выполняет аналогичную проверку, но переданный ей размер области, член shm_segsz объекта struct shmid_ds, не обязательно совпадает со значением len, поскольку len является кратным величине PAGE_SIZE, a shm_segsz может не быть таковым.
Однако, поскольку все адреса, используемые функцией get_unmapped_area, выровнены по границе страницы, на вычисления в этой функции не влияет то, является ли переданный ей размер области кратным размеру страницы.
21951: Как сказано в этом комментарии, в выбранной области нужно оставить немного места для стека процесса. Обязательным требованием является создание буферной зоны из четырех страниц: в этом числе нет ничего магического и его назначение состоит просто в том, чтобы оставить процессу немного места для стека. Напомним сказанное в предыдущей главе, что если задача исчерпывает объем своего стека, она должна быть уничтожена. С учетом всех соображений, вероятно, лучше допустить аварийное завершение одного системного вызова, чем грубое уничтожение целого процесса: процесс может корректно исправить последствия первой ситуации из указанных выше, но не последней из них.
21959: Здесь показано основное назначение флажка SHM_REMAP (строка 17075): если флажок SHM_REMAP установлен и область, указанная вызывающей программой, уже используется, ошибка не возникает, поскольку флажок SHM_REMAP для того и существует, чтобы дать возможность вызывающей программе отобразить область разделяемой памяти на память, которой она уже владеет, например, на глобальный буфер. Если этот флажок не установлен, то выбранный адрес не должен перекрывать какую-либо память, уже принадлежащую этому процессу.
21971: Если вызывающая программа не имеет разрешения на использование этой области памяти, данный системный вызов завершается неудачей. Если в качестве параметра передан флажок SHM_RDONLY (только чтение), вызывающая программа нуждается только в разрешении на чтение; в ином случае, вызывающая программа нуждается в разрешении и на чтение, и на запись.
21991: Заполнение новой области VMA. В частности, отметим, что ее член vm_ops инициализируется в значение указателя на shm_vm_ops (строка 21809), как описано в главе 8.
22004: Увеличение числа ссылок на эту область, чтобы она не была преждевременно уничтожена.
22005: Вызов функции shm_map (строка 21844) для отображения страниц разделяемой памяти на пространство памяти процесса. Если она терпит неудачу, то отменяет выполненные действия, уменьшая число ссылок, уничтожая область, если это была ее первая и единственная ссылка, и освобождая саму область VMA.
Обратите внимание, что область VMA не обязательно будет освобождена, даже если это последняя ссылка; эта область должна быть также отмечена флажком SHM_DEST (строка 17106). Флажок SHM_DEST может находиться среди флажков, установленных вызывающей программой; он может быть также установлен позже в ветви IPC_RMID функции sys_shmctl — см. строку 21780. Благодаря этому, область разделяемой памяти может пережить все подключенные к ней процессы. Это может оказаться полезным по тем же причинам, по которым иногда может быть полезен неуничтоженный файл контрольной точки, находящийся где-то на диске: может применяться продолжительный процесс, который работает несколько часов каждую ночь, оставляя свои результаты в области разделяемой памяти, которая продолжает существовать даже после того, как текущий фрагмент работы процесса был выполнен. На следующую ночь процесс может продолжить свою работу точно с того места, где он ее прекратил, просто подключившись к этой сохранившейся области разделяемой памяти. (Безусловно, поскольку области разделяемой памяти в отличие от файлов исчезают при выключении компьютера, этот подход не применим для работы, результаты которой нельзя терять.)
22014: Добавление shmd к списку областей VMA, подключенных к этой области, а затем обновление некоторой статистической информации, относящейся к области.
22019: Возвращение адреса, фактически выбранного для области разделяемой памяти в пространстве вызывающей программы, а затем успешный возврат.
22028: Функцию shm_open можно считать облегченным вариантом функции sys_shmat (строка 21898). Она подключает переданную ей область VMA к области разделяемой памяти. Область VMA, переданная в качестве параметра, была скопирована из той, которая уже подключена к целевой области, поэтому сама область VMA уже заполнена правильно; работа функции shm_open в основном сводится только к выполнению подключения.
Как сказано в комментарии перед функцией shm_open, эта функция вызывается из функции do_fork (строка 23953), которая рассматривается в главе 7. Точнее, эта функция вызывается из строки 23692 в функции dup_mmap (строка 23654). Функция dup_mmap, в свою очередь, вызывается из строки 23801 функции copy_mm (строка 23774); a copy_mm вызывается из строки 24051, которая находится в функции do_fork.
22033: Извлечение индекса shm_segs из члена vm_pte данной области VMA, а затем проверка того, что здесь находится допустимый вход. Обратите внимание, что этот индекс не нужно проверять на соответствие диапазону, поскольку поразрядная операция AND, применяемая к величине SHM_ID_MASK (строка 11757),заставляет его находиться в диапазоне.
22040: Подключает область VMA к данной области и обновляет статистическую информацию данной области.
22050: Функция shm_close, которая является противоположной функции shm_open, отключает область VMA от области разделяемой памяти, к которой она подключена. Хотя есть и другие места, где ядро вызывает операцию закрытия области VMA, по-видимому, строка 33821 является единственным таким местом, где это может окончиться вызовом функции shm_close. Это часть функции exit_mmap (строка 33802) и она обычно достигается функцией mmput (строка 23764), которая вызывается из функции __exit_mm (строка 23174), которая вызывается из функции do_exit (строка 23267), рассматриваемой в главе 7. Отметим, что есть и другие пути к функции shm_close, и один из них мы вскоре рассмотрим.
22056: Извлечение индекса shm_segs из члена vm_pte области VMA, а затем отключение области VMA от данной области. Этот индекс не нужно проверять на соответствие диапазону по тем же причинам, как и в функции shm_open. Отметим также, что функция shm_close не проверяет, находится ли допустимый вход shm_segs по указанному индексу. Для функции remove_attach это не имеет значение, поскольку, как было показано выше, она даже не зависит от своего параметра shp. Но в последней части функции shm_close предполагается, что остальная программная реализация разделяемой памяти разработана и применяется правильно, так что этот «невозможный» случай действительно не произойдет.
22058: Отключение области VMA от области разделяемой памяти, а затем обновление статистической информации этой области.
22061: Уменьшение числа ссылок области и, возможно, также ее освобождение.
22068: Функция sys_shmdt, которая является противоположной функции sys_shmat, отключает процесс от области разделяемой памяти.
22074: Начинает выполнение итераций по всем областям VMA, представляющим память процесса.
22076: Если область VMA представляет область разделяемой памяти (для определения этого предусмотрена элегантная проверка содержимого ее члена vm_ops) и область VMA начинается с целевого адреса, то нужно отменить отображение этой области VMA.
22079: Функция do_munmap (строка 33689) вызывает функцию unmap_fixup (строка 33578), которая (не сразу) вызывает функцию shm_close в строке 33592. Функции do_munmap и unmap_fixup описаны в главе 8.
| netlib.narod.ru | < Назад | Оглавление | Далее > |