Bài giảng Lập trình IPC và thread

Lập trình IPC và thread
Bộ môn Hệ thống và Mạng máy tính
Khoa Khoa học và kỹ thuật máy tính
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 1
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
2Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
3Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Giới thiệu về IPC
 Mục tiêu của IPC
 IPC: Inter-Process Communication
 Cho phép phối hợp hoạt động giữa các quá trình trong hệ
thống
 Giải quyết đụng độ trên vùng tranh chấp
 Truyền thông điệp từ quá trình này đến các quá trình khác
 Chia sẻ thông tin giữa các quá trình với nhau
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 4
Giao tiếp và đồng bộ
 Communication
Truyền dữ liệu
Chia sẻ thông tin
Các cơ chế:
Pipe
Signal
Message queue
Shared memory
Socket
RPC/RMI
Synchronization
Giải quyết tranh chấp
Đảm bảo thứ tự xử lý
Các cơ chế:
Lock file
Semaphore
Mutex (pthread)
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 5
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread bằng pthread
6Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Giao tiếp thông qua PIPE 
 Là kênh truyền dữ liệu giữa các process với nhau theo 
dạng FIFO
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 7
P1 P2
Writer Reader
Các tác vụ trên pipe 
 Write:
#include 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)
 Read:
#include 
ssize_t read(int fd, const void *buf, size_t count)
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 8
Hai loại pipe 
 Unnamed pipe
 có ý nghĩa cục bộ
 chỉ dành cho các process có quan hệ bố con với nhau
 Named pipe (còn gọi là FIFO)
 có ý nghĩa toàn cục
 có thể sử dụng cho các process không liên quan bố con
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 9
Unnamed pipe 
 Tạo unnamed pipe:
#include 
int pipe(int filedes[2]);
 Kết quả
 Thành công, kết quả thực thi hàm pipe() là 0, có hai file 
descriptor tương ứng sẽ được trả về trong filedes[0], 
filedes[1]
 Thất bại: hàm pipe() trả về -1, mã lỗi trong biến ngoại 
errno
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 10
Unnamed pipe (2)
 Duplex
 Linux: unidirectional/half-duplex, i.e. filedes[0] chỉ được 
dùng để đọc còn filedes[1] chỉ được dùng để ghi dữ liệu
 Solaris: full-duplex, i.e. nếu ghi vào filedes[0], thì filedes[1] 
được dùng để đọc và ngược lại
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 11
filedes[1] -----> filedes[0]
filedes[0] ----- filedes[1]
P0 P1
#include 
#include 
#include 
#include 
int main() {
int fp[2];
char s1[BUFSIZ], s2[BUFSIZ];
pipe(fp);
if (fork()==0) { /* Child Write */
printf("\nInput: ");
fgets(s1,BUFSIZ,stdin);
s1[strlen(s1)]=0;
close(fp[0]);
write(fp[1],s1,strlen(s1)+1);
} else { /* Parent Read */
close(fp[1]);
read(fp[0],s2,BUFSIZ);
printf("\nFrom pipe> %s\n", s2);
}
return 0;
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 12
Dịch, thực thi
$gcc unpipe.c -o unpipe
$./unpipe
Input: I Love Penguin
From pipe> I Love Penguin
$
Dùng pipe để tái định hướng 
 Pipe có thể được dùng để kết nối các lệnh với nhau (do chương 
trình shell thực hiện)
 Ví dụ: $ ps -ef | grep a01 | sort
$ ls | more
 Đối với chương trình người dùng, có thể dùng một trong hai 
system call sau kết hợp với pipe đểthực hiện:
 dup() 
 dup2()
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 13
cmd1 cmd2 . . . cmdN
ps -ef | grep $USER . . .|
dup() 
#include 
int dup(int oldfd);
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 14
0
1
2
3
4
stdin
stdout
stderr
available
0
1
2
3
4
stdin
stdout
stderr
available
dup(1)
dup2() 
#include 
int dup2(int oldfd, int newfd);
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 15
0
1
2
3
4
stdin
stdout
stderr
available
0
1
2
3
4
stdin
stdout
stderr
available
dup2(1,4)
#include 
int main() { // ps -ef | sort | grep
int pipe1[2], pipe2[2];
pipe(pipe1);
if (fork()) { /* Parent */
pipe(pipe2); 
if(fork()) { /* Parent */
close(0); // Close standard input
dup(pipe2[0]); // standard input -> Read Pipe2
close(pipe1[0]); 
close(pipe1[1]); 
close(pipe2[0]); 
close(pipe2[1]); 
execl("/bin/grep", "grep", NULL); 
}
16Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
else { /* Child 2 */
close(0); // Close standard input
dup(pipe1[0]); // standard input -> Read Pipe1
close(1); // Close standard output
dup(pipe2[1]); // standard output -> Write Pipe2 
close(pipe1[0]); close(pipe1[1]); 
close(pipe2[0]); close(pipe2[1]); 
execl("/bin/sort", "sort", NULL); 
} 
} else { /* Child 1 */
close(1); // Close standard output
dup(pipe1[1]); // standard output -> Write Pipe1
close(pipe1[0]); close(pipe1[1]); 
execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL); 
} 
exit(0); 
}
17Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Named pipe 
 Tương tự như unnamed pipe
 Một số tính năng cần chú ý:
 Được ghi nhận trên file system (directory entry, file 
permission)
 Có thể dùng với các process không có quan hệ bố con
 Có thể tạo ra từ dấu nhắc lệnh shell (bằng lệnh mknod)
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 18
Tạo named pipe - mknod() 
 System call
#include 
#include 
int mknod(const char *path, mode_t mode, dev_t dev);
 Trong đó
 path: đường dẫn đến pipe (trên file system)
 mode: quyền truy cập trên file = S_IFIFO kết hợp với trị khác
 dev: dùng giá trị 0
 C/C++ library call
#include 
#include 
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 19
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
extern int errno;
#define FIFO1 "/tmp/fifo.1"
#define FIFO2 "/tmp/fifo.2"
#define PERMS 0666
int main(){
char s1[BUFSIZ], s2[BUFSIZ];
int childpid, readfd, writefd;
20
Dịch và thực thi
$gcc fifo.c -o fifo
$./fifo
Parent writes to FIFO1: Test1
Child reads from FIFO1: Test1
Child feedbacks on FIFO2: Test2
Feedback data from FIFO2: Test2
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
if ((mknod(FIFO1, S_IFIFO | PERMS, 0)<0) && 
(errno!=EEXIST)) {
printf("can't create fifo1: %s", FIFO1);
exit(1);
}
if ((mknod(FIFO2, S_IFIFO | PERMS, 0)<0) && 
(errno!=EEXIST)) {
unlink(FIFO1);
printf("can't create fifo2: %s", FIFO2);
exit(1);
}
if ((childpid=fork())<0) {
printf("can't fork");
exit(1);
}
21Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
else if (childpid>0) { /* parent */
if ((writefd=open(FIFO1,1))<0)
perror("parent: can't open writefifo");
if ((readfd=open(FIFO2,0))<0)
perror("parent: can't open readfifo");
printf("\nParent writes to FIFO1: ");
gets(s1); 
s1[strlen(s1)]=0;
write(writefd,s1,strlen(s1)+1);
read(readfd,s2,BUFSIZ);
printf("\nFeedback data from FIFO2: %s\n",s2);
while (wait((int*)0)!=childpid); /*wait for child finish*/
close(readfd);
close(writefd);
if (unlink(FIFO1)<0) perror("Can't unlink FIFO1");
if (unlink(FIFO2)<0) perror("Can't unlink FIFO2");
exit(0);
}
22Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
else { /* child */
if ((readfd=open(FIFO1,0))<0)
perror("child: can't open readfifo");
if ((writefd=open(FIFO2,1))<0) 
perror("child: can't open writefifo");
read(readfd,s2,BUFSIZ);
printf("\nChild read from FIFO1: %s\n",s2);
printf("\nInput string from child to feedback: ");
gets(s1);
s1[strlen(s1)]=0;
write(writefd,s1,strlen(s1)+1);
close(readfd);
close(writefd);
exit(0);
}
}
23Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
24Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
SystemV IPC 
 Gồm: message queue, shared memory, semaphore
 Có một số thuộc tính chung như
 Người tạo, người sở hữu (owner), quyền truy cập (perms)
 Có thể theo dõi trạng thái các IPC bằng lệnh ipcs
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 25
$ipcs
------Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status 
0x00000000 65536 root 644 110592 11 dest
------Semaphore Arrays --------
key semid owner perms nsems
------Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages 
Semaphore 
 Đồng bộ các process theo giải thuật của semaphore
 Biến semaphore
 số nguyên, truy cập qua các hàm do hệ điều hành cung cấp: 
P (wait), V (signal)
 Đảm bảo loại trừ tương hỗ
 Trong UNIX System V, semaphore được dùng theo set –
danh sách các semaphore.
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 26
Lệnh IPC trong Linux 
 Theo dõi trạng thái các IPC (gồm message queue, 
semaphore, shared memory)
 ipcs hoặc ipcs -a
 Theo dõi trạng thái các semaphore của hệ thống
 ipcs -s
 Loại bỏ một semaphore (phải đủ quyền hạn)
 ipcrm sem semid hoặc ipcrm -s semid
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 27
Các thao tác chủ yếu trên đối 
tượng IPC 
 semget()
 semop()
 semctl()
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 28
Hàm semget() 
#include 
#include 
#include 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
 key: giá trị key cho IPC object, nếu key=IPC_PRIVATE thì
semaphore tạo ra chỉ được sử dụng trong nội bộ process.
 nsems: số lượng semaphore trong semaphore set, thông thường chỉ
cần dùng 1 semaphore.
 semflag: IPC_CREAT, IPC_EXCL và có thể OR với giá trị ấn định 
quyền truy cập (tương tự quyền hạn trên một file). 
 Ví dụ
sset1=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);
sset2=semget(12345,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 29
Tạo key cho IPC object 
#include 
#include 
keyt_t key;
char *path;
int id=123;
...
key=ftok(path,id);
⇒ các process khác nhau chỉ cần cung cấp path và id giống 
nhau là có thể tạo đúng key truy cập đến cùng một IPC object.
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 30
Hàm semop() 
#include 
#include 
#include 
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
 semid: semaphore set ID do hàm semget() trảvề
 sops: là danh sách gồm nsops cấu trúc sembuf định ra các 
thao tác cho từng semaphore trong tập semaphore.
 nsops: số semaphores trong semaphore cần thao tác
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 31
Cấu trúc sembuf
struct sembuf {
ushort sem_num; /*semaphore thứ #*/
short sem_op; /*operation*/
short sem_flg; /*operation flags*/
}
 sem_num: chỉ số của semaphore trong semaphore set, chỉ số này 
bắt đầu từ 0
 sem_op: là số nguyên
 >0: tăng giá trị semaphore
 <0: giảm giá trị semaphore
 sem_flg: 
 IPC_NOWAIT: non-blocking mode
 SEM_UNDO: undo operation
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 32
Hành vi của hàm semop() 
 semop<0
 semval ≥abs(semop)
semval=semval-abs(semop)
 semval ≥abs(semop) & SEM_UNDO
semval-=abs(semop) AND semadj+=abs(semop)
 semval<abs(semop)
block until semval ≥abs(semop)
 semval<abs(semop) & IPC_NOWAIT
return -1, errno=EAGAIN
 semop>0
 semval+=semop
 SEM_UNDO
 semval+=semop AND semadj-=semop
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 33
Hàm semctl()
#include 
#include 
#include 
int semctl(int semid,int semnum,int cmd);
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort *array;
};
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 34
Hàm semctl() - tham số cmd
 Các thao tác thông thường
 IPC_SET : thiết lập quyền truy cập
 IPC_STAT: lấy thông tin thuộc tính
 IPC_RMID: xoá semaphore set
 Các thao tác trên từng semaphore riêng lẻ
 GETVAL: lấy thông tin thuộc tính
 SETVAL: thay đổi thuộc tính
 GETPID: lấy PID của process vừa truy cập semaphore
 GETNCNT: lấy số process đang đợi semval tăng lên
 GETZCNT: lấy số process đang đợi semval về 0
 Các thao tác trên toàn semaphore set
 SETALL: thay đổi thuộc tính
 GETALL: lấy thông tin thuộc tính
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 35
Ví dụ
 Hiện thực 4 hàm cơ bản của semaphore
 seminit: tạo binary semaphore
 p (wait)
 v (signal)
 semrel: xoá semaphore
 Viết chương trình giải quyết tranh chấp dùng semaphore
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 36
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union {
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort *array;
} carg;
int seminit() {
int i, semid;
if (semid=semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_EXCL)==-1) 
return(-1);
carg.val=1;
if (semctl(semid,0,SETVAL,carg)==-1) return(-1);
return semid;
}
37Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
void p(int sem){
struct sembuf pbuf;
pbuf.sem_num=0;
pbuf.sem_op=-1; /* giảm giá trị semaphore */
pbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem,&pbuf,1)==-1) {
perror("semop"); exit(1);
}
}
void v(int sem){
struct sembuf vbuf;
vbuf.sem_num=0;
vbuf.sem_op=1;
vbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem,&vbuf,1)==-1) {
perror("semop"); exit(1);
}
}
38Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
int semrel(int semid){
return semctl(semid,0,IPC_RMID,0);
}
void func(int sem) {
while(1) {
p(sem); /* enter section */
printf("%d Do something in CS\n",getpid());
sleep(5);
v(sem); /* exit section */
printf("%d Out of CS\n",getpid());
sleep(1);
}
}
void main() {
int sem=seminit();;
if (fork()==0) func(sem);
else func(sem);
semrel(sem);
}
39Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
40Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Giới thiệu về thread 
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 41
Giới thiệu về thread
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 42
CODE
DATA
STACK
CODE
DATA
STACK STACK STACK
Các chuẩn về thread 
 POSIX (Portable Operating System Interface) thread hay 
còn gọi là IEEE 1003.1, 1003.1c
 phổ biến trong các hệ thống *NIX hiện tại
 đặc tả các giao diện lập trình API và thư viện user-level 
thread 
 Sun Thread
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 43
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
44Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Khởi tạo thread mới
#include 
int pthread_create(
pthread_t *thread, 
pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine)(void *), 
void *arg);
 Kết quả trả về
 0: Thành công, tạo thread mới, tham số thread chứa 
thread ID
 0: Thất bại (mã lỗi trả về chứa trong biến ngoài errno)
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 45
Lập trình POSIX thread 
 Lưu ý về tham số thứ 3 start_routine
 nên có kiểu trả về là con trỏ kiểu void, nếu không thì phải có 
type casting khi gọi pthread_create().
 nên có một tham số kiểu con trỏ void. Tham số của hàm 
start_routine sẽ được truyền vào thông qua tham số thứ 4 
của hàm pthread_create().
 Lưu ý về tham số thứ 4 arg
 là tham số truyền vào cho hàm start_routine
 nếu cần truyền nhiều hơn 1 tham số thì nên định nghĩa arg
là kiểu cấu trúc struct
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 46
Lập trình POSIX thread 
 Thread kết thúc thực thi khi
 hàm start_routine kết thúc
 có lời gọi hàm pthread_exit() tường minh.
 thread bị ngắt bởi lời gọi hàm pthread_cancel()
 process chính kết thúc
 một trong các thread gọi system call exec()
 Lời gọi hàm kết thúc thread tường minh
void pthread_exit(void * retval);
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 47
Ví dụ
#include 
#include 
void* func(void* arg)
{
int i;
for (i = 0; i < 2; i++) {
printf ("This is thread %d\n", 
*((int*)arg));
sleep (1);
}
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 48
Ví dụ (tt)
int main (int argc, char **argv) {
int i;
pthread_t tid[3];
for (i=0; i<3; i++){
pthread_create(&tid[i], NULL, func, 
(void*)&tid[i]);
}
sleep (5); 
return 0;
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 49
Ví dụ (tt)
 Biên dịch và thực thi
$gcc pthcreate.c -o pthcreate -lpthread
$./pthcreate
This is thread -1208886368
This is thread -1219376224
This is thread -1229866080
This is thread -1208886368
This is thread -1219376224
This is thread -1229866080
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 50
Các hàm lập trình khác
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 51
 PTHREAD_JOIN
#include 
int pthread_join(pthread_t th,
void **thread_return);
Ví dụ
#include 
#include 
void* func(void* arg)
{
int i;
for (i = 0; i < 2; i++) {
printf("This is thread %d\n", 
*((int*)arg));
sleep(1);
}
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 52
Ví dụ (tt)
int main(int argc, char **argv) {
int i;
pthread_t tid[3];
for (i=0; i<3; i++){
pthread_create(&tid[i], NULL, func, 
(void*)&tid[i]);
pthread_join(tid[i], NULL);
}
return 0;
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 53
Ví dụ (tt)
 Biên dịch và thực thi
$gcc pthjoin.c -o pthjoin -lpthread
$./pthjoin
This is thread -1208710240
This is thread -1208710240
This is thread -1208710240
This is thread -1208710240
This is thread -1208710240
This is thread -1208710240
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 54
Truyền dữ liệu cho thread 
#include 
#include 
struct char_print_parms {
char character;
int count;
};
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 55
Truyền dữ liệu cho thread (2) 
void* char_print (void* args) {
struct char_print_parms* p = 
(struct char_print_parms*) args;
int i;
for (i=0; icount; i++)
printf ("%c\n", p->character);
return NULL;
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 56
Truyền dữ liệu cho thread (3) 
int main () {
pthread_t tid;
struct char_print_parms th_args;
th_args.character = 'X';
th_args.count = 5;
pthread_create(&tid,NULL,&char_print, 
&th_args);
pthread_join (tid, NULL);
return 0;
}
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 57
Truyền dữ liệu cho thread (4)
 Biên dịch và thực thi
$gcc charprint.c -o charprint -lpthread
$./pthjoin
X
X
X
X
X
Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM 58
Lập trình trên Linux 
 Lập trình IPC
 Dùng pipe
 Dùng semaphore
 Lập trình thread
 Cơ bản về lập trình POSIX pthread
 Giải quyết tranh chấp trên POSIX thread
 MUTEX
 Conditional variable
 POSIX semaphore
59Khoa KH&KTMT - Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Questions???