This is an old revision of the document!
Table of Contents
Obsługa wielu strumieni naraz
Typowo aplikacje (jakiekolwiek, włączając sieciowe) muszą jednocześnie obsługiwać wiele źródeł zdarzeń (np. dane gotowe do odbioru, użytkownik kliknął na menu, naciśnięto enter).
Domyślnie operacje na gniazdach (np. connect, accept, read) blokują przetwarzanie.
Można to zmienić (tak jak dla każdego innego pliku w Linuksie) na obsługę nieblokującą, ale oczywiście aktywne czekanie (https://en.wikipedia.org/wiki/Busy_waiting) jest bardzo głupim pomysłem1).
Do obsługi wielu źródeł zdarzeń stworzono dedykowane metody, można też używać typowych metod pisania aplikacji współbieżnych. Zwolennicy SE nazwą to "wzorcami projektowymi". Przegląd typowych metod tworzenia aplikacji sieciowych:
- Iteracyjnie – kiedy współbieżność jest zbędna.
- Pętla zdarzeń (event loop, [1], [2]) – programista wpierw przygotowuje kod (funkcje) obsługi możliwych zdarzeń, następnie w pętli czeka na zdarzenie i wywołuje kod powiązany ze zdarzeniem. Aplikacja może być jedno- lub wielowątkowa, muszą być dostępne funkcje czekające na zdarzenie – dla I/O pod Linuksem to
select,polliepoll.
Praktycznie wszystkie programy z GUI wykorzystują pętlę zdarzeń przynajmniej do obsługi GUI. - Aplikacja wielowątkowa – każde źródło zdarzeń – np. gniazdo – jest obsługiwane w osobnym wątku.
Wiele wątków
Zadanie 1 Napisz własną wersję programu netcat wspierającą tylko klienta
TCP – program, który nawiąże połączenie TCP pod wskazany adres, następnie dane
przychodzące na standardowe wejście będzie wysyłać przez to połączenie, a
równocześnie dane przychodzące z sieci będzie wypisywać na standardowe wyjście.
(Możesz skorzystać z przykładowego kodu klienta)
Zadanie 2 Czat – napisz serwer, który każdą otrzymaną wiadomość przekaże
wszystkim połączonym klientom.
(Możesz skorzystać z przykładowego kodu serwera)
Zdarzenia
Funkcje biblioteczne
System Linux zawiera 3 podstawowe funkcje pozwalające na czekanie na przychodzące zdarzenia na deskryptorach plików:
select– "klasyczna" funkcja, ma kilka dziwnych ograniczeń. Dostaje zbiór deskryptorów, oczekuje na zdarzenie, modyfikuje przekazany zbiór deskryptorów zostawiając tylko te na których można wykonać read/write/lub na których wystąpił wyjątek. (POSIX)poll– zbudowana podobnie jakselect, ale m. inn. nie ma ograniczenia na numery monitorowanych deskryptorów2), można użyć ponownie struktury opisującej deskryptory etc. (POSIX)epoll– specyficzna dla Linuksa funkcja. Inny pomysł: program informuje jądro systemu na które deskryptory chce czekać, potem wywołuje funkcję czekającą na zdarzenie i dostaje informacje które zarzenia wystąpiły.
Dłuższe porównanie: http://www.ulduzsoft.com/2014/01/select-poll-epoll-practical-difference-for-system-architects/
Od kilku lat trwają prace nad mechanizmem io_uring, pozwalającym na wykonywanie jednocześnie wielu operacji na plikach. Mechanizm pozwala na przekazanie do kernela żądań wykonania konkretnych operacji, oraz oferuje funkcję do czekania na wykonanie jakiejś ze zleconych wcześniej operacji.
poll
Aby stworzyć program korzystający z funkcji poll, należy:
- przygotować tablicę struktur
pollfdi wypełnić:.fd– deskryptor pliku do monitorowania,.events– zbiór monitorowanych zdarzeń:POLLIN– funkcjapollma się przerwać, jeśli można wywołać bez czekaniaread()/…lubacccept()POLLOUT– funkcjapollma się przerwać, jeśli można wywołać bez czekaniawrite()/…
uwaga: na możliwość wysłania danych czeka się wtedy kiedy ma się dane do wysłania
uwaga: próba zapisania większej liczby bajtów niż jest wolnego miejsca w buforze nadawczym i tak zablokujewrite
uwaga: jeśli na gnieździe wystąpił błąd, toread()/write()/…też można wywołać bez czekania
reszta zdarzeń (POLLHUP,POLLERR,POLLPRI, …) opisana wman poll- zostawić w spokoju
.revents– tam pojawi się informacja o tym co wystąpiło
- w pętli wywoływać funkcję
poll(…).
ostatni argument funkcjipollto maksymalny czas oczekiwania; aby funkcja czekała bez limitu, należy podać tam dowolną ujemną wartość - sprawdzać który deskryptor jest gotowy przeglądając pola
.revents
Funkcja poll, struktura pollfd i stałe POLL… są w pliku nagłówkowym #include <poll.h>
pollfd pfds[COUNT]{}; ─┐ pfds[0].fd = STDIN_FILENO; pfds[2].fd = cliSock1; │ pfds[0].events = POLLIN; pfds[2].events = POLLIN; ├─ (1) pfds[1].fd = serverSock; pfds[3].fd = cliSock2; │ pfds[1].events = POLLIN; pfds[3].events = POLLIN|POLLOUT; ─┘ ... ... while(1){ int ile_gotowych = poll(pfds, liczbaStruktur, -1); ═╾─ (2) if(pfds[0].revents & POLLIN) readingFromStdin(); ─┐ if(pfds[1].revents & POLLIN) acceptingNewClient(); │ for(int i = 2; i < liczbaStruktur; ++i){ │ if(pfds[i].revents & POLLIN) ├─ (3) readFromClient(pfds[i].fd); │ if(pfds[i].revents & POLLOUT) │ writeToClient(pfds[i].fd); ─┘ } }
Dłuższe wyjaśnienie jak korzystać funkcji poll znajdziesz też w
materiałach do przedmiotu PSIEC dla bioinformatyki.
Zadanie 3 Powtórz Zadanie 1, ale tym razem jako jednowątkowy program wykorzystujący poll.
(Możesz skorzystać z przykładowego kodu klienta)
epoll
Mechanizm działania epoll jest inny niż select czy poll.
- Wpierw programista musi stworzyć interfejs do monitorowania plików funkcją
epoll_createlubepoll_create1– interfejs trafia do tablicy deskryptorów plików (analogicznie doopen(),pipe()czysocket()). Po skończonej pracy zamyka się go podobnie jak każdy plik – funkcjąclose. - Lista monitorowanych deskryptorów jest przechowywana w pamięci jądra systemu operacyjnego – aby ją uzupełnić, należy użyć funkcji
epoll_ctl. Pozwala ona powiązać deskryptor z listą zdarzeń na które oczekuje program oraz dowolnymi danymi mieszczącymi się w uniiepoll_data_t. - Funkcja czekająca na zdarzenia –
epoll_wait– przyjmuje jako argumenty tylko deskryptor utworzony przezepoll_create, tablicę zdarzeń do wypełnienia i czas oczekiwania (-1 = nieskończoność).
epoll_waitnie przekazuje numerów gotowych deskryptorów – przekazuje tylko rodzaj zdarzenia i powiązane z nim wcześniej dane.
Funkcje epoll_…, struktura epoll_event i stałe EPOLL… są w pliku nagłówkowym #include <sys/epoll.h>
struct Client { int fd; char *partialDataReceived, *dataQueuedToSend; } *clients; void receiveFromCli(Client *c); void sendQueuedData(Client *c); ... int epollDescr = epoll_create1(0); ═╾─ (1) epoll_event ee[2]; ─┐ ee[0].events = EPOLLIN; │ ee[0].data.u32 = -1; ├─ (2) epoll_ctl(epollDescr, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ee[0]); │ ee[0].data.u32 = -2; │ epoll_ctl(epollDescr, EPOLL_CTL_ADD, serverSock, &ee[0]); ─┘ while (1) { int ile_gotowych = epoll_wait(epollDescr, ee, 2, -1); ═╾─ (3) for (int i = 0; i < ile_gotowych; ++i) { ─┐ if (ee[i].data.u32 == -1) │ readingFromStdin(); │ else if (ee[i].data.u32 == -2) { │ int cliFd = accept(serverSock, 0, 0); │ int cliId = getFreeClientId(); │ clients[cliId] = {.fd = cliFd}; │ ee[0].events = EPOLLIN; ┐ │ ee[0].data.u32 = cliId; ├(2)├─ (4) epoll_ctl(epollDescr, EPOLL_CTL_ADD, cliFd, &ee[0]); ┘ │ } else { │ if (ee[i].events & EPOLLIN) │ receiveFromCli(&clients[ee[i].data.u32]); │ if (ee[i].events & EPOLLOUT) │ sendQueuedData(&clients[ee[i].data.u32]); │ } │ } ─┘ }
Przykład użycia pola ''.data.ptr''
Zadanie 4 Powtórz Zadanie 1, ale tym razem jako jednowątkowy program wykorzystujący mechanizm epoll.
(Możesz skorzystać z przykładowego kodu klienta)
Zadanie 5 Napisz jednowątkowy serwer czatu używając poll lub epoll_wait.
(Możesz skorzystać z przykładowego kodu serwera)