Laboratorio de Sistemas Operativos

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1 Laboratorio de Sistemas Operativos Juan Antonio Álvarez, Toñi Reina, David Ruiz, Antonio Tallón, Pablo Neira, José Ángel Bernal y Sergio Segura Boletín 7: Colas de Mensajes Curso 2006/07 Índice 1. Introducción 2 2. Llamadas del sistema relacionadas con colas de mensajes Creación/Acceso de una cola de mensajes. msgget Operaciones con colas de mensajes. msgsnd y msgrcv Control de las colas de mensajes. msgctl Ejercicios 5 A. Ejercicios de Examen 8 1

2 1. Introducción Las colas de mensajes son un mecanismo de comunicación entre procesos que aporta UNIX System V, como ya se mencionó en la práctica anterior. La idea que subyace bajo las colas de mensajes es parecida a la de las tuberías, pero permiten una mayor versatilidad. Las colas de mensajes son gestionadas por el núcleo del SO, es decir, es el SO el que porporciona los mecanismos necesarios para que las escrituras y las lecturas en la misma sean síncronas. En general, en una cola pueden escribir y leer varios procesos. Las operaciones de lecturas son gestionadas siguiendo un política FIFO (First Input First Output), es decir, el primer mensaje que entra es el primer mensaje que sale. Para hacer que la implementación sea más flexible, se ha permitido hacer lecturas filtradas por el tipo de mensaje, con lo cual, se rompe la filosofía FIFO, aunque ésta se sigue manteniendo para todos los mensajes de un mismo tipo. Si se hace una operación de lectura sin especificar el tipo de mensaje, se está forzando a leer el primer mensaje que haya en la cola. Las llamadas para trabajar con colas de mensajes en System V son: msgget, para crear una cola o acceder a una ya existente; msgctl, para acceder y modificar la información de control que el núcleo asocia a cada cola de mensajes; msgsnd, para escribir/enviar un mensaje en la cola, y msgrcv, para leer/recibir un mensaje de la cola. 2. Llamadas del sistema relacionadas con colas de mensajes 2.1. Creación/Acceso de una cola de mensajes. msgget Para crear una cola de mensajes deberemos utilizar la llamada al sistema msgget: #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int msgget (key_t key, int msgflg); Si todo va bien devuelve el identificador de la cola que ha creado, en caso contrario, devuelve -1 y en errno el código del error. key Es una llave, tal y como se ha visto en el boletín anterior. msgflg Es una máscara de bits cuyos valores son los mismos que se han visto en el boletín de semáforos. IPC CREAT Si este flag está activo, se creará la cola de mensajes, en caso de que no haya sido ya creada. IPC EXCL Esta bandera se utiliza junto con IPC CREAT, para lograr que msgget de un error en el caso de que se intente crear una cola de mensajes que ya exista. En este caso, msgget devolvería -1 e inicializaría la variable errno con un valor EEXIST. permisos Los 9 bits menos significativos de msgflg indican los permisos de la cola de mensajes. Ver el boletín de semáforos para comprobar sus posibles valores. Ejemplo 1 El siguiente trozo de código crea una cola de mensajes. #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> #define PERMISOS S_IRUSR S_IWUSR int msqid; key_t llave; 2

3 llave= ftok("prueba", A ); msqid = msgget (llave, IPC_CREAT PERMISOS); if (msqid == -1) /* Error al crear la cola de mensajes */ 2.2. Operaciones con colas de mensajes. msgsnd y msgrcv Para enviar un mensaje utilizando una cola de mensajes utilizamos la llamada al sistema msgsnd y para leer un mensaje de la cola se utiliza msgrcv: #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int msgsnd (int msqid, void *msgp, int msgsz, int msgflg); int msgrcv (int msqid, void *msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg); donde msqid Es el descriptor de la cola de mensajes a utilizar. msgp Apunta a la zona de memoria que contiene los datos que vamos a enviar o recibir. Cómo esté organizada esta zona de memoria es cuestión que se ha dejado al programador. El único requisito que ha de cumplir es que el primer campo debe ser de tipo long y hay que utilizarlo para identificar el tipo de mensaje. No hay ningún tipo definido por el sistema, por lo tanto la tipificación de mensajes depende del programador. msgsz Es el tamaño en bytes que ocupa el mensaje a enviar o recibir. En este tamaño no se incluyen los bytes del long que se utiliza para indicar el tipo del mensaje. msgtyp Solamente se utiliza en msgrcv e indica el tipo de mensaje que se quiere leer. De forma que si: msgtyp = 0, entonces se lee el primer mensaje que haya en la cola. msgtyp > 0, entonces se lee el primer mensaje de tipo msgtyp que haya en la cola. msgtyp < 0, entonces se lee el primer mensaje cuyo tipo sea menor o igual al valor absoluto de msgtyp y sea el de menor valor de los que cumplan esta condición. msgflg Es un conjunto de bits que tienen distinto significado dependiendo de si aparece en una operación de lectura o de escritura. En el caso de una escritura (msgsnd) se tiene: Si la cola está llena y el bit IPC NOWAIT está activo, msgsnd devuelve el control inmediatamente, retornando un -1. Es decir, el mensaje no se envía. Si la cola está llena y el bit IPC NOWAIT no está levantado, el proceso suspende su ejecución hasta que haya espacio en la cola y pueda enviar el mensaje. Para la llamada msgrcv, se tiene lo siguiente: Si no hay ningún mensaje del tipo especificado en la cola y el bit IPC NOWAIT está activado, la llamada devuelve el control inmediatamente retornando un -1. Es decir, el mensaje no se recibe. Si no hay ningún mensaje del tipo especificado en la cola, y el bit IPC NOWAIT no está levantado, el procesos suspende su ejecución esperando hasta que haya un mensaje del tipo deseado que poder recibir. Si msgsnd se ejecuta sin ningún tipo de problema, devuelve 0. Si msgrcv se ejecuta sin errores, retorna el número total de bytes que ha recibido en msgp. Como ya hemos visto antes, este tamaño no incluye los bytes que ocupa el campo del tipo del mensaje. En el caso de que haya algún tipo de problema, las llamadas devolverán un -1, y en errno el código del error. 3

4 Ejemplo 2 El siguiente trozo de código muestra cómo enviar y recibir un mensaje utilizando las dos llamadas anteriores. int msqid; struct long tipo; char cadena[lon_cadena]; mensaje;... int longitud = sizeof(mensaje) - sizeof (mensaje.tipo);... /* Enviar mensaje de tipo 1 */ mensaje.tipo = 1; sprintf(mensaje.cadena, "PRUEBA"); if ( msgsnd(msqid, &mensaje, longitud, 0) == -1) /* Error al enviar el mensaje */... /* Recibir mensaje de tipo 1 */ if (msgrcv (msqid, &mensaje, longitud, 1, 0 ) == -1) /* Error al recibir el mensaje */ 2.3. Control de las colas de mensajes. msgctl Para leer y modificar la información estadística y de control de una cola se utiliza la llamada msgctl. Su declaración es la siguiente: #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); donde msqid Es el identificador de la cola de mensajes sobre la que se va a actuar. cmd Es la operación a realizar. Sus posibles valores están definidos con las siguientes constantes: IPC STAT Lee el estado de la estructura de control de la cola y lo devuelve en la zona de memoria apuntada por buf. Esta estructura está definida en <msg.h> como sigue: struct msqid_ds struct ipc_perm msg_perm; /* operation permission struct */ struct msg *msg_first; /* ptr to first message on q */ struct msg *msg_last; /* ptr to last message on q */ msglen_t msg_cbytes; /* current # bytes on q */ msgqnum_t msg_qnum; /* # of messages on q */ msglen_t msg_qbytes; /* max # of bytes on q */ pid_t msg_lspid; /* pid of last msgsnd */ pid_t msg_lrpid; /* pid of last msgrcv */ time_t msg_stime; /* last msgsnd time */ time_t msg_rtime; /* last msgrcv time */ time_t msg_ctime; /* last change time */ ; IPC SET Inicializa los campos de la estructura de control de la cola. El valor de estos campos lo toma de la estructura apuntada por buf. IPC RMID Borra del sistema la cola de mensajes cuyo identificador es msqid. 4

5 Ejemplo 3 La siguiente línea de código borra una cola de mensajes que previamente fue creada con msgget. msgctl( msqid, IPC_RMID, 0); Ejemplo 4 La siguiente función comprueba si existen mensajes pendientes de ser leídos en una cola: int Mensaje_Pendiente(int mb) struct msqid_ds buf; msgctl(mb, IPC_STAT, &buf); return ( buf.msg_qnum!= 0 ); 3. Ejercicios 1. Realice una biblioteca de funciones para trabajar con colas de mensajes en UNIX, para ello debe definir los siguientes tipos de datos: typedef int MailBox; typedef struct long mtype; char mtext[max]; Message; y las siguientes funciones para manejarlos: MailBox MailBox_Create(char nombre_buz[]); Esta función sirve para crea una nueva cola, para ello se darán los siguientes pasos: a) Comprobar si existe un archivo llamado /tmp/mailbox.uid.nombre buz, donde uid es el identificador de usuario que crea la cola. b) En caso negativo, se debe generar una llave a partir de ese archivo y crear una nueva cola con dicha llave. c) En caso afirmativo, sólo se tendrá que devolver una referencia a la cola, es decir, devolver el resultado de msgget. void MailBox_Destroy(char nombre_buz[], MailBox buz); Esta función elimina el archivo sobre el que se ha mapeado la cola de mensajes (/tmp/mailbox.uid.nombre buz) y la propia cola. void Message_Create(char contenido[], Message *m); Esta función sirve para crear un mensaje m con texto contenido. El tipo de dicho mensaje siempre será 1. void Message_Destroy(Message *m); Librera la memoria reservada para m. void Message_Print(Message m); Imprime el contenido del mensaje por la salida estándar. void MailBox_Send(MailBox mb, Message m); Envía el mensaje m a la cola mb. En el caso de que la cola esté llena esta función se bloquea hasta que haya espacio. void MailBox_Receive(MailBox mb, Message *m); Recibe un mensaje de mb en m. Si no existen mensajes se esperará a que llegue uno. int MailBox_Has_Message(MailBox mb); Esta función devuelve 1 si existe algún mensaje en la cola mb. 5

6 Para probar el correcto funcionamiento de esta biblioteca cree un proceso emisor de mensajes y otro receptor como sigue: EMISOR: #include "MailBox.h" int main(void) MailBox mb; Message m; char txt[max]; mb = MailBox_Create("mibuzon"); for(;;) sprintf(txt, "%d\0", rand()); printf("voy a enviar un mensaje con contenido %s\n", txt); Message_Create(txt, &m); MailBox_Send(mb,m); sleep(1); MailBox_Destroy("mibuzon", mb); RECEPTOR: #include "MailBox.h" int main(void) MailBox mb; Message m; char txt[max]; mb = MailBox_Create("mibuzon"); for(;;) printf("a la espera de recibir mensajes\n"); MailBox_Receive(mb,&m); printf("recibido mensaje: "); Message_Print(m); printf("\n"); if (!MailBox_Has_Message(mb)) printf("el buzón está temporalmente vacio\n"); 2. Se desea sincronizar y comunicar dos grupos de procesos (productores y consumidores) haciendo uso de la anterior biblioteca de funciones. Los procesos productores se encargan de generar un número entero aleatorio (a través de la llamada rand()) y almacenarlo en un almacen en el que caben como máximo N elementos. Los procesos consumidores se encargan de sacar del almacen siempre que existan elementos. Por ejemplo, una llamada que crease dos productores y un consumidor podría generar la siguiente salida: productor & productor & consumidor [2] 7675 [3] 7676 Produciendo Consumiendo Produciendo Produciendo Produciendo Produciendo Consumiendo Produciendo Consumiendo Consumiendo

7 Consumiendo Produciendo Produciendo Produciendo 2749 Produciendo Produciendo Produciendo 2749 Consumiendo Produciendo 9084 Produciendo Produciendo 9084 Produciendo Consumiendo Realice el ejercicio de los emisores/receptor vistos en el boletín de semáforos haciendo uso sólo de mensajes y prescindiendo de archivo intermedio para almacenar los mensajes que se envían entre los emisores y el receptor. 4. Realice el ejercicio de los lectores/escritor visto en el boletín de semáforos haciendo uso sólo de mensajes. 5. (Ejercicio de Examen 2 a CONV II ) Escriba el código C para la función int Enviar_Mensaje(int cola, Mensaje m), dónde cola es el identificador de la cola de mensajes a la que se quiere enviar el mensaje m, que tiene la siguiente estructura: typedef struct long mtype; char cabecera[64]; char cuerpo[1024]; Mensaje; Esta función devolverá -1 en caso de error ó 0 en caso contrario. NOTA: El mensaje m está creado y contiene todos los campos rellenos con la información a enviar. 7

8 A. Ejercicios de Examen 1. (Ejercicio de Examen 1 a CONV II ) Figura 1: Estructura de procesos Considérese un sistema de archivos en el que hay un proceso que se encarga de la planificación central y procesos representantes o proxies que sirven de intermediarios entre dicho planificador central y las aplicaciones de usuario que quieren hacer uso del sistema de archivos. El número máximo de archivos abiertos está limitado a MAX_FILE. En caso de que no exista ninguna solicitud de archivo pendiente el planificador central se echa a dormir. Cuando un proceso de usuario necesita un archivo, el sistema operativo crea un proxy o proceso representante. En caso de que el número de archivos que tiene que servir el planificador central no exceda de MAX_FILE, el proxy esperará a que el planificador le atienda y terminará con su ejecución. De lo contrario, se generará un error indicado que la petición no puede ser atendida finalizando así la ejecución del proxy. Se pide: a) Haciendo uso de la biblioteca de mensajes realizada en el laboratorio, escriba el código C de los procesos Planificador y Proxy. Omita la inclusión de ficheros de los cabecera. Considere definidas las siguientes funciones: void ProcesaPeticion(Message Peticion): la ejecutará el planificador cada vez que tenga que procesar una nueva petición de archivo. void ErrorMaximoPermitido(void): la ejecutará el proxy cuando el planificador central no pueda atender la petición de archivo. Message Crea_Peticion(char nombre_archivo[]): la ejecutará el proxy para crear un mensaje de petición a partir de un nombre de archivo. Suponga que el proceso de usuario se comunica con su proxy a través de una variable compartida nombre_archivo. Dé una breve explicación de cómo resuelve los problemas de sincronización entre los proxies y el planificador central. 2. (Ejercicio de Examen 1 a CONV II ) Queremos sincronizar 2 tipos de procesos. Tenemos un conjunto de procesos generadores que se dedican a crear mensajes de dos tipos (mensajea, mensajeb) y los envían a 2 colas de mensajes (ColaA, ColaB). Las posiciones de ambos mensajes en sus respectivas colas debe ser la misma. Además dichas colas de mensajes sólo pueden albergar MAX mensajes (cada una de ellas). Cuando hay al menos un mensaje en ambas colas, interviene un proceso transformador que recoge un mensaje de cada una de ellas, realiza una operación sobre ambos y muestra el resultado por la salida estándar. Haciendo uso de la biblioteca de colas de mensajes realizada en el laboratorio, escriba el código C del proceso Transformador y los procesos Generadores. Omita la inclusión de ficheros de cabecera. Explique el número de colas de mensajes necesarios para resolver el problema y dé una breve explicación del uso de cada una de las colas. Disponemos de las siguientes funciones: void genera_mensaje(message *msj,char tipo); Recibe como argumentos un mensaje (que se pasará por referencia) y un carácter que indica si el mensaje es de tipo A o B. Servirá para crear e inicializar el mensaje. 8

9 int MailBox_Exist(char nombre_buzon[ ]); Esta función amplía la biblioteca de colas de mensajes realizada en el laboratorio. Recibe el nombre de una cola de mensajes y devuelve 1 en caso de que exista esa cola y 0 en caso contrario. 3. (Ejercicio de Examen 2 a CONV II ) Deseamos modelar el funcionamiento de una peluquería de niños en un sistema cuyo único mecanismo de comunicación entre procesos son las colas de mensajes. La peluquería se modela con un conjunto de procesos abuelo que llevan a sus nietos para que los pelen. El número de nietos de cada proceso abuelo vendrá indicado por un parámetro de la linea de argumentos, de forma que para lanzar a un proceso abuelo, habrá que hacerlo de la siguiente forma: $ abuelo <num_nietos> La peluquería tiene un aforo máximo de MAX_NINIOS y es atendida por un proceso peluquero. Los abuelos tienen las siguientes restricciones de sincronización y comunicación: a) Los nietos estarán identificados por una cadena con el siguiente formato <pid-abuelo>-<indice>. Por ejemplo, el proceso abuelo cuyo pid es 15048, tiene 3 nietos, que estarán identificados, respectivamente por , y b) En el caso de que no exista ningún niño pendiente de pelar, el peluquero se echa a dormir, en caso contrario, permanecerá despierto. c) En caso de que un abuelo llegue con varios nietos a la peluquería y alguno de ellos no pueda ser pelado, se irán todos. Solamente en el caso de que todos puedan ser atendidos, se quedarán. Haciendo uso de la biblioteca de colas de mensajes realizada en el laboratorio, escriba el código C del proceso Peluquero y los procesos Abuelo. Omita la inclusión de ficheros de cabecera. En caso de recibir la señal SIGINT (cuando se pulsa ctrl+c) se deberán liberar los recursos asignados. NOTAS: Los nietos se modelarán con el tipo de dato Message visto en laboratorio, con la particularidad de que el campo texto deberá incluir una cadena con el identificador del niño. La operación de dejar a un niño en la peluquería por parte de un abuelo se simulará con un mensaje por la salida estándar que tenga el siguiente formato: Enviando niño a pelar...<identificador-niño>. La operación de pelar a un niño se simulará con el mensaje Pelando a <identificador-niño> impreso por la salida estándar. Suponga que la biblioteca de Colas de mensajes implementada en clase tiene una nueva función int MailBox_Num_Messages (MailBox); que recibe una Cola de Mensajes y devuelve el número de mensajes que hay en dicha cola. Explique claramente el número de buzones necesarios para resolver el problema, y cómo utiliza cada uno de ellos. 4. (Ejercicio de Examen 3 a CONV II ) Se desea modificar la biblioteca creada en el laboratorio para colas de mensajes. Concretamente la función MailBox_Send de manera que acepte tanto mensajes del tipo Message definido en clase, como de otro tipo de mensajes definidos o por definir. El prototipo de la función será void MailBox_Send(MailBox mb,void *mensaje, int tamanyo_mensaje). El primer argumento es el buzón de mensajes al que vamos a enviar el mensaje, el segundo argumento es un puntero a la dirección de memoria dónde se encuentra nuestro mensaje y el último es el número de bytes que ocupa la estructura completa del mensaje. 5. (Ejercicio de Examen 4 a CONV II ) Se quiere convertir la librería de mensajes realizada en clase de un mecanismo asíncrono a un mecanismo síncrono, de tal forma que un proceso emisor, se detenga hasta que esté seguro de que el receptor haya recibido el mensaje. La forma de conseguir esto, es utilizando un nuevo buzón en el que el receptor enviará un mensaje de confirmación de recepción (ACK). Se pide implementar la función void MailBox_Send_Sinc (Mailbox mb, Mailbox sincro, Mensaje m);, que tome como entrada el buzón al que se quiere enviar el mensaje, mb; el buzón que se utiliza para sincronizar el envío, sincro; y el mensaje a enviar, m. NOTAS: No dispone de la librería de mensaje realizada en los laboratorios para resolver la cuestión. Los buzones se suponen creados y vacíos. 9