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\chapter{L'intercomunicazione fra processi}
\label{cha:IPC}


Uno degli aspetti fondamentali della programmazione in un sistema unix-like è
la comunicazione fra processi. In questo capitolo affronteremo solo i
meccanismi più elementari che permettono di mettere in comunicazione processi
diversi, come quelli tradizionali che coinvolgono \textit{pipe} e
\textit{fifo} e i meccanismi di intercomunicazione di System V e quelli POSIX.

Tralasceremo invece tutte le problematiche relative alla comunicazione
attraverso la rete (e le relative interfacce) che saranno affrontate in
dettaglio in un secondo tempo.  Non affronteremo neanche meccanismi più
complessi ed evoluti come le RPC (\textit{Remote Procedure Calls}) che in
genere sono implementati da un ulteriore livello di librerie sopra i
meccanismi elementari.


\section{L'intercomunicazione fra processi tradizionale}
\label{sec:ipc_unix}

Il primo meccanismo di comunicazione fra processi introdotto nei sistemi Unix,
è quello delle cosiddette \textit{pipe}; esse costituiscono una delle
caratteristiche peculiari del sistema, in particolar modo dell'interfaccia a
linea di comando. In questa sezione descriveremo le sue basi, le funzioni che
ne gestiscono l'uso e le varie forme in cui si è evoluto.


\subsection{Le \textit{pipe} standard}
\label{sec:ipc_pipes}

Le \textit{pipe} nascono sostanzialmente con Unix, e sono il primo, e tuttora
uno dei più usati, meccanismi di comunicazione fra processi. Si tratta in
sostanza di una coppia di file descriptor connessi fra di loro in modo che
quanto scrive su di uno si può rileggere dall'altro.  Si viene così a
costituire un canale di comunicazione realizzato tramite i due file
descriptor, che costituisce appunto una sorta di \textsl{tubo} (che appunto il
significato del termine inglese \textit{pipe}) attraverso cui si possono far
passare i dati.

In pratica si tratta di un buffer circolare in memoria in cui il kernel
appoggia i dati immessi nel file descriptor su cui si scrive per farli poi
riemergere dal file descriptor da cui si legge. Si tenga ben presente che in
questo passaggio di dati non è previsto nessun tipo di accesso al disco e che
nonostante l'uso dei file descriptor le \textit{pipe} non han nulla a che fare
con i file di dati di cui si è parlato al cap.~\ref{cha:file_IO_interface}.

La funzione di sistema che permette di creare questa speciale coppia di file
descriptor associati ad una \textit{pipe} è appunto \funcd{pipe}, ed il suo
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fdecl{int pipe(int filedes[2])}
\fdesc{Crea la coppia di file descriptor di una \textit{pipe}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EFAULT}] \param{filedes} non è un indirizzo valido.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EMFILE} e \errval{ENFILE} nel loro significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione restituisce la coppia di file descriptor nel vettore
\param{filedes}, il primo è aperto in lettura ed il secondo in scrittura. Come
accennato concetto di funzionamento di una \textit{pipe} è semplice: quello
che si scrive nel file descriptor aperto in scrittura viene ripresentato tale
e quale nel file descriptor aperto in lettura. 

I file descriptor infatti non sono connessi a nessun file reale, ma, come
accennato, ad un buffer nel kernel la cui dimensione è specificata dal
parametro di sistema \const{PIPE\_BUF}, (vedi
sez.~\ref{sec:sys_file_limits}). Lo schema di funzionamento di una
\textit{pipe} è illustrato in fig.~\ref{fig:ipc_pipe_singular}, in cui sono
indicati i due capi della \textit{pipe}, associati a ciascun file descriptor,
con le frecce che indicano la direzione del flusso dei dati.

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[height=5cm]{img/pipe}
  \caption{Schema della struttura di una \textit{pipe}.}
  \label{fig:ipc_pipe_singular}
\end{figure}

Della funzione di sistema esiste una seconda versione, \funcd{pipe2},
introdotta con il kernel 2.6.27 e le \acr{glibc} 2.9 e specifica di Linux
(utilizzabile solo definendo la macro \macro{\_GNU\_SOURCE}), che consente di
impostare atomicamente le caratteristiche dei file descriptor restituiti, il
suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{unistd.h}
\fhead{fcntl.h}
\fdecl{int pipe2(int pipefd[2], int flags)}
\fdesc{Crea la coppia di file descriptor di una \textit{pipe}.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{flags} non valido.
  \end{errlist}
  e gli altri già visti per \func{pipe} con lo stesso significato.}
\end{funcproto}

Utilizzando un valore nullo per \param{flags} la funzione è identica a
\func{pipe}, si può però passare come valore l'OR aritmetico di uno qualunque
fra \const{O\_NONBLOCK} o \const{O\_CLOEXEC} che hanno l'effetto di impostare
su entrambi i file descriptor restituiti dalla funzione i relativi flag, già
descritti per \func{open} in tab.~\ref{tab:open_operation_flag}, che attivano
rispettivamente la modalità di accesso \textsl{non-bloccante} ed il
\textit{close-on-exec} \itindex{close-on-exec}.

Chiaramente creare una \textit{pipe} all'interno di un singolo processo non
serve a niente; se però ricordiamo quanto esposto in
sez.~\ref{sec:file_shared_access} riguardo al comportamento dei file
descriptor nei processi figli, è immediato capire come una \textit{pipe} possa
diventare un meccanismo di intercomunicazione. Un processo figlio infatti
condivide gli stessi file descriptor del padre, compresi quelli associati ad
una \textit{pipe} (secondo la situazione illustrata in
fig.~\ref{fig:ipc_pipe_fork}). In questo modo se uno dei processi scrive su un
capo della \textit{pipe}, l'altro può leggere.

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[height=5cm]{img/pipefork}
  \caption{Schema dei collegamenti ad una \textit{pipe}, condivisi fra
    processo padre e figlio dopo l'esecuzione \func{fork}.}
  \label{fig:ipc_pipe_fork}
\end{figure}

Tutto ciò ci mostra come sia immediato realizzare un meccanismo di
comunicazione fra processi attraverso una \textit{pipe}, utilizzando le
proprietà ordinarie dei file, ma ci mostra anche qual è il principale limite
nell'uso delle \textit{pipe}.\footnote{Stevens in \cite{APUE} riporta come
  limite anche il fatto che la comunicazione è unidirezionale, ma in realtà
  questo è un limite superabile usando una coppia di \textit{pipe}, anche se
  al costo di una maggiore complessità di gestione.}  È necessario infatti che
i processi possano condividere i file descriptor della \textit{pipe}, e per
questo essi devono comunque essere \textsl{parenti} (dall'inglese
\textit{siblings}), cioè o derivare da uno stesso processo padre in cui è
avvenuta la creazione della \textit{pipe}, o, più comunemente, essere nella
relazione padre/figlio.

A differenza di quanto avviene con i file normali, la lettura da una
\textit{pipe} può essere bloccante (qualora non siano presenti dati), inoltre
se si legge da una \textit{pipe} il cui capo in scrittura è stato chiuso, si
avrà la ricezione di un EOF (vale a dire che la funzione \func{read} ritornerà
restituendo 0).  Se invece si esegue una scrittura su una \textit{pipe} il cui
capo in lettura non è aperto il processo riceverà il segnale \signal{SIGPIPE},
e la funzione di scrittura restituirà un errore di \errcode{EPIPE} (al ritorno
del gestore, o qualora il segnale sia ignorato o bloccato).

La dimensione del buffer della \textit{pipe} (\const{PIPE\_BUF}) ci dà inoltre
un'altra importante informazione riguardo il comportamento delle operazioni di
lettura e scrittura su di una \textit{pipe}; esse infatti sono atomiche
fintanto che la quantità di dati da scrivere non supera questa
dimensione. Qualora ad esempio si effettui una scrittura di una quantità di
dati superiore l'operazione verrà effettuata in più riprese, consentendo
l'intromissione di scritture effettuate da altri processi.

La dimensione originale del buffer era di 4096 byte (uguale ad una pagina di
memoria) fino al kernel 2.6.11, ed è stata portata in seguito a 64kb; ma a
partire dal kernel 2.6.35 è stata resa disponibile l'operazione di controllo
\const{F\_SETPIPE\_SZ} (vedi sez.~\ref{sec:ipc_pipes}) che consente di
modificarne la dimensione.



\subsection{Un esempio dell'uso delle \textit{pipe}}
\label{sec:ipc_pipe_use}

Per capire meglio il funzionamento delle \textit{pipe} faremo un esempio di
quello che è il loro uso più comune, analogo a quello effettuato della shell,
e che consiste nell'inviare l'output di un processo (lo standard output)
sull'input di un altro. Realizzeremo il programma di esempio nella forma di un
\textit{CGI}\footnote{quella dei CGI (\textit{Common Gateway Interface}) è una
  interfaccia che consente ad un server web di eseguire un programma il cui
  output (che deve essere opportunamente formattato seguendo le specifiche
  dell'interfaccia) può essere presentato come risposta ad una richiesta HTTP
  al posto del contenuto di un file, e che ha costituito probabilmente la
  prima modalità con cui sono state create pagine HTML dinamiche.}  che genera
una immagine JPEG di un codice a barre, specificato come argomento in
ingresso.

Un programma che deve essere eseguito come \textit{CGI} deve rispondere a
delle caratteristiche specifiche, esso infatti non viene lanciato da una
shell, ma dallo stesso web server, alla richiesta di una specifica URL, che di
solito ha la forma:
\begin{Verbatim}
http://www.sito.it/cgi-bin/programma?argomento
\end{Verbatim}
ed il risultato dell'elaborazione deve essere presentato (con una intestazione
che ne descrive il \textit{mime-type}) sullo \textit{standard output}, in modo
che il server web possa reinviarlo al browser che ha effettuato la richiesta,
che in questo modo è in grado di visualizzarlo opportunamente.

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[height=5cm]{img/pipeuse}
  \caption{Schema dell'uso di una \textit{pipe} come mezzo di comunicazione fra
    due processi attraverso l'esecuzione una \func{fork} e la chiusura dei
    capi non utilizzati.}
  \label{fig:ipc_pipe_use}
\end{figure}

Per realizzare quanto voluto useremo in sequenza i programmi \cmd{barcode} e
\cmd{gs}, il primo infatti è in grado di generare immagini PostScript di
codici a barre corrispondenti ad una qualunque stringa, mentre il secondo
serve per poter effettuare la conversione della stessa immagine in formato
JPEG. Usando una \textit{pipe} potremo inviare l'output del primo sull'input del
secondo, secondo lo schema mostrato in fig.~\ref{fig:ipc_pipe_use}, in cui la
direzione del flusso dei dati è data dalle frecce continue.

Si potrebbe obiettare che sarebbe molto più semplice salvare il risultato
intermedio su un file temporaneo. Questo però non tiene conto del fatto che un
\textit{CGI} può essere eseguito più volte in contemporanea, e si avrebbe una
evidente \itindex{race~condition} \textit{race condition} in caso di accesso
simultaneo a detto file da istanze diverse. Il problema potrebbe essere
superato utilizzando un sempre diverso per il file temporaneo, che verrebbe
creato all'avvio di ogni istanza, utilizzato dai sottoprocessi, e cancellato
alla fine della sua esecuzione; ma a questo punto le cose non sarebbero più
tanto semplici.  L'uso di una \textit{pipe} invece permette di risolvere il
problema in maniera semplice ed elegante, oltre ad essere molto più
efficiente, dato che non si deve scrivere su disco.

Il programma ci servirà anche come esempio dell'uso delle funzioni di
duplicazione dei file descriptor che abbiamo trattato in
sez.~\ref{sec:file_dup}, in particolare di \func{dup2}. È attraverso queste
funzioni infatti che è possibile dirottare gli stream standard dei processi
(che abbiamo visto in tab.~\ref{tab:file_std_files} e
sez.~\ref{sec:file_stream}) sulla \textit{pipe}. In
fig.~\ref{fig:ipc_barcodepage_code} abbiamo riportato il corpo del programma,
il cui codice completo è disponibile nel file \file{BarCodePage.c} che si
trova nella directory dei sorgenti.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/BarCodePage.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del \textit{CGI} 
    \file{BarCodePage.c}.}
  \label{fig:ipc_barcodepage_code}
\end{figure}

La prima operazione del programma (\texttt{\small 4--12}) è quella di creare
le due \textit{pipe} che serviranno per la comunicazione fra i due comandi
utilizzati per produrre il codice a barre; si ha cura di controllare la
riuscita della chiamata, inviando in caso di errore un messaggio invece
dell'immagine richiesta. La funzione \func{WriteMess} non è riportata in
fig.~\ref{fig:ipc_barcodepage_code}; essa si incarica semplicemente di
formattare l'uscita alla maniera dei CGI, aggiungendo l'opportuno
\textit{mime-type}, e formattando il messaggio in HTML, in modo che
quest'ultimo possa essere visualizzato correttamente da un browser.

Una volta create le \textit{pipe}, il programma può creare (\texttt{\small
  13-17}) il primo processo figlio, che si incaricherà (\texttt{\small
  19--25}) di eseguire \cmd{barcode}. Quest'ultimo legge dallo standard input
una stringa di caratteri, la converte nell'immagine PostScript del codice a
barre ad essa corrispondente, e poi scrive il risultato direttamente sullo
standard output.

Per poter utilizzare queste caratteristiche prima di eseguire \cmd{barcode} si
chiude (\texttt{\small 20}) il capo aperto in scrittura della prima
\textit{pipe}, e se ne collega (\texttt{\small 21}) il capo in lettura allo
\textit{standard input} usando \func{dup2}. Si ricordi che invocando
\func{dup2} il secondo file, qualora risulti aperto, viene, come nel caso
corrente, chiuso prima di effettuare la duplicazione. Allo stesso modo, dato
che \cmd{barcode} scrive l'immagine PostScript del codice a barre sullo
standard output, per poter effettuare una ulteriore redirezione il capo in
lettura della seconda \textit{pipe} viene chiuso (\texttt{\small 22}) mentre
il capo in scrittura viene collegato allo standard output (\texttt{\small
  23}).

In questo modo all'esecuzione (\texttt{\small 25}) di \cmd{barcode} (cui si
passa in \var{size} la dimensione della pagina per l'immagine) quest'ultimo
leggerà dalla prima \textit{pipe} la stringa da codificare che gli sarà
inviata dal padre, e scriverà l'immagine PostScript del codice a barre sulla
seconda.

Al contempo una volta lanciato il primo figlio, il processo padre prima chiude
(\texttt{\small 26}) il capo inutilizzato della prima \textit{pipe} (quello in
ingresso) e poi scrive (\texttt{\small 27}) la stringa da convertire sul capo
in uscita, così che \cmd{barcode} possa riceverla dallo \textit{standard
  input}. A questo punto l'uso della prima \textit{pipe} da parte del padre è
finito ed essa può essere definitivamente chiusa (\texttt{\small 28}), si
attende poi (\texttt{\small 29}) che l'esecuzione di \cmd{barcode} sia
completata.

Alla conclusione della sua esecuzione \cmd{barcode} avrà inviato l'immagine
PostScript del codice a barre sul capo in scrittura della seconda
\textit{pipe}; a questo punto si può eseguire la seconda conversione, da PS a
JPEG, usando il programma \cmd{gs}. Per questo si crea (\texttt{\small
  30--34}) un secondo processo figlio, che poi (\texttt{\small 35--42})
eseguirà questo programma leggendo l'immagine PostScript creata da
\cmd{barcode} dallo \textit{standard input}, per convertirla in JPEG.

Per fare tutto ciò anzitutto si chiude (\texttt{\small 37}) il capo in
scrittura della seconda \textit{pipe}, e se ne collega (\texttt{\small 38}) il
capo in lettura allo \textit{standard input}. Per poter formattare l'output
del programma in maniera utilizzabile da un browser, si provvede anche
\texttt{\small 40}) alla scrittura dell'apposita stringa di identificazione
del \textit{mime-type} in testa allo \textit{standard output}. A questo punto
si può invocare \texttt{\small 41}) \cmd{gs}, provvedendo le opportune opzioni
del comando che consentono di leggere il file da convertire dallo
\textit{standard input} e di inviare la conversione sullo \textit{standard
  output}.

Per completare le operazioni il processo padre chiude (\texttt{\small 44}) il
capo in scrittura della seconda \textit{pipe}, e attende la conclusione del
figlio (\texttt{\small 45}); a questo punto può (\texttt{\small 46})
uscire. Si tenga conto che l'operazione di chiudere il capo in scrittura della
seconda \textit{pipe} è necessaria, infatti, se non venisse chiusa, \cmd{gs},
che legge il suo \textit{standard input} da detta \textit{pipe}, resterebbe
bloccato in attesa di ulteriori dati in ingresso (l'unico modo che un
programma ha per sapere che i dati in ingresso sono terminati è rilevare che
lo \textit{standard input} è stato chiuso), e la \func{wait} non ritornerebbe.


\subsection{Le funzioni \func{popen} e \func{pclose}}
\label{sec:ipc_popen}

Come si è visto la modalità più comune di utilizzo di una \textit{pipe} è
quella di utilizzarla per fare da tramite fra output ed input di due programmi
invocati in sequenza; per questo motivo lo standard POSIX.2 ha introdotto due
funzioni che permettono di sintetizzare queste operazioni. La prima di esse si
chiama \funcd{popen} ed il suo prototipo è:


\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{FILE *popen(const char *command, const char *type)}
\fdesc{Esegue un programma dirottando l'uscita su una \textit{pipe}.} 
}

{La funzione ritorna l'indirizzo dello stream associato alla \textit{pipe} in
  caso di successo e \val{NULL} per un errore, nel qual caso \var{errno} potrà
  assumere i valori relativi alle sottostanti invocazioni di \func{pipe} e
  \func{fork} o \errcode{EINVAL} se \param{type} non è valido.}
\end{funcproto}

La funzione crea una \textit{pipe}, esegue una \func{fork} creando un nuovo
processe nel quale invoca il programma \param{command} attraverso la shell (in
sostanza esegue \file{/bin/sh} con il flag \code{-c}).
L'argomento \param{type} deve essere una delle due stringhe \verb|"w"| o
\verb|"r"|, per richiedere che la \textit{pipe} restituita come valore di
ritorno sia collegata allo \textit{standard input} o allo \textit{standard
  output} del comando invocato.

La funzione restituisce il puntatore ad uno stream associato alla
\textit{pipe} creata, che sarà aperto in sola lettura (e quindi associato allo
\textit{standard output} del programma indicato) in caso si sia indicato
\code{r}, o in sola scrittura (e quindi associato allo \textit{standard
  input}) in caso di \code{w}. A partire dalla versione 2.9 delle \acr{glibc}
(questa è una estensione specifica di Linux) all'argomento \param{type} può
essere aggiunta la lettera ``\texttt{e}'' per impostare automaticamente il
flag di \textit{close-on-exec} \itindex{close-on-exec} sul file descriptor
sottostante (si ricordi quanto spiegato in sez.~\ref{sec:file_open_close}).

Lo \textit{stream} restituito da \func{popen} è identico a tutti gli effetti
ai \textit{file stream} visti in sez.~\ref{sec:files_std_interface}, anche se
è collegato ad una \textit{pipe} e non ad un file, e viene sempre aperto in
modalità \textit{fully-buffered} (vedi sez.~\ref{sec:file_buffering}); l'unica
differenza con gli usuali stream è che dovrà essere chiuso dalla seconda delle
due nuove funzioni, \funcd{pclose}, il cui prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{stdio.h}
\fdecl{int pclose(FILE *stream)}
\fdesc{Chiude una \textit{pipe} creata con \func{popen}.} 
}

{La funzione ritorna lo stato del processo creato da \func{popen} in caso di
  successo e $-1$ per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori
  derivanti dalle sottostanti funzioni \func{fclose} e \func{wait4}.}
\end{funcproto}

La funzione chiude il file \param{stream} associato ad una \textit{pipe}
creato da una precedente \func{popen}, ed oltre alla chiusura dello stream si
incarica anche di attendere (tramite \func{wait4}) la conclusione del processo
creato dalla precedente \func{popen}. Se lo stato di uscita non può essere
letto la funzione restituirà per \var{errno} un errore di \errval{ECHILD}.

Per illustrare l'uso di queste due funzioni riprendiamo il problema
precedente: il programma mostrato in fig.~\ref{fig:ipc_barcodepage_code} per
quanto funzionante, è volutamente codificato in maniera piuttosto complessa,
inoltre doveva scontare un problema di \cmd{gs} che non era in grado di
riconoscere correttamente l'Encapsulated PostScript,\footnote{si fa
  riferimento alla versione di GNU Ghostscript 6.53 (2002-02-13), usata quando
  l'esempio venne scritto per la prima volta.} per cui si era utilizzato il
PostScript semplice, generando una pagina intera invece che una immagine delle
dimensioni corrispondenti al codice a barre.

Se si vuole generare una immagine di dimensioni appropriate si deve usare un
approccio diverso. Una possibilità sarebbe quella di ricorrere ad ulteriore
programma, \cmd{epstopsf}, per convertire in PDF un file EPS (che può essere
generato da \cmd{barcode} utilizzando l'opzione \cmd{-E}).  Utilizzando un PDF
al posto di un EPS \cmd{gs} esegue la conversione rispettando le dimensioni
originarie del codice a barre e produce un JPEG di dimensioni corrette.

Questo approccio però non può funzionare per via di una delle caratteristiche
principali delle \textit{pipe}. Per poter effettuare la conversione di un PDF
infatti è necessario, per la struttura del formato, potersi spostare (con
\func{lseek}) all'interno del file da convertire. Se si esegue la conversione
con \cmd{gs} su un file regolare non ci sono problemi, una \textit{pipe} però
è rigidamente sequenziale, e l'uso di \func{lseek} su di essa fallisce sempre
con un errore di \errcode{ESPIPE}, rendendo impossibile la conversione.
Questo ci dice che in generale la concatenazione di vari programmi funzionerà
soltanto quando tutti prevedono una lettura sequenziale del loro input.

Per questo motivo si è dovuto utilizzare un procedimento diverso, eseguendo
prima la conversione (sempre con \cmd{gs}) del PS in un altro formato
intermedio, il PPM,\footnote{il \textit{Portable PixMap file format} è un
  formato usato spesso come formato intermedio per effettuare conversioni, è
  infatti molto facile da manipolare, dato che usa caratteri ASCII per
  memorizzare le immagini, anche se per questo è estremamente inefficiente
  come formato di archiviazione.}  dal quale poi si può ottenere un'immagine
di dimensioni corrette attraverso vari programmi di manipolazione
(\cmd{pnmcrop}, \cmd{pnmmargin}) che può essere infine trasformata in PNG (con
\cmd{pnm2png}).

In questo caso però occorre eseguire in sequenza ben quattro comandi diversi,
inviando l'uscita di ciascuno all'ingresso del successivo, per poi ottenere il
risultato finale sullo \textit{standard output}: un caso classico di
utilizzazione delle \textit{pipe}, in cui l'uso di \func{popen} e \func{pclose}
permette di semplificare notevolmente la stesura del codice.

Nel nostro caso, dato che ciascun processo deve scrivere la sua uscita sullo
\textit{standard input} del successivo, occorrerà usare \func{popen} aprendo
la \textit{pipe} in scrittura. Il codice del nuovo programma è riportato in
fig.~\ref{fig:ipc_barcode_code}.  Come si può notare l'ordine di invocazione
dei programmi è l'inverso di quello in cui ci si aspetta che vengano
effettivamente eseguiti. Questo non comporta nessun problema dato che la
lettura su una \textit{pipe} è bloccante, per cui un processo, anche se
lanciato per primo, se non ottiene i dati che gli servono si bloccherà in
attesa sullo \textit{standard input} finché non otterrà il risultato
dell'elaborazione del processo che li deve creare, che pur essendo logicamente
precedente, viene lanciato dopo di lui.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/BarCode.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Codice completo del \textit{CGI} \file{BarCode.c}.}
  \label{fig:ipc_barcode_code}
\end{figure}

Nel nostro caso il primo passo (\texttt{\small 14}) è scrivere il
\textit{mime-type} sullo \textit{standard output}; a questo punto il processo
padre non necessita più di eseguire ulteriori operazioni sullo
\textit{standard output} e può tranquillamente provvedere alla redirezione.

Dato che i vari programmi devono essere lanciati in successione, si è
approntato un ciclo (\texttt{\small 15--19}) che esegue le operazioni in
sequenza: prima crea una \textit{pipe} (\texttt{\small 17}) per la scrittura
eseguendo il programma con \func{popen}, in modo che essa sia collegata allo
\textit{standard input}, e poi redirige (\texttt{\small 18}) lo
\textit{standard output} su detta \textit{pipe}.

In questo modo il primo processo ad essere invocato (che è l'ultimo della
catena) scriverà ancora sullo \textit{standard output} del processo padre, ma
i successivi, a causa di questa redirezione, scriveranno sulla \textit{pipe}
associata allo \textit{standard input} del processo invocato nel ciclo
precedente.

Alla fine tutto quello che resta da fare è lanciare (\texttt{\small 21}) il
primo processo della catena, che nel caso è \cmd{barcode}, e scrivere
(\texttt{\small 23}) la stringa del codice a barre sulla \textit{pipe}, che è
collegata al suo \textit{standard input}, infine si può eseguire
(\texttt{\small 24--27}) un ciclo che chiuda con \func{pclose}, nell'ordine
inverso rispetto a quello in cui le si sono create, tutte le \textit{pipe}
create in precedenza.


\subsection{Le \textit{pipe} con nome, o \textit{fifo}}
\label{sec:ipc_named_pipe}

Come accennato in sez.~\ref{sec:ipc_pipes} il problema delle \textit{pipe} è
che esse possono essere utilizzate solo da processi con un progenitore comune
o nella relazione padre/figlio. Per superare questo problema lo standard
POSIX.1 ha introdotto le \textit{fifo}, che hanno le stesse caratteristiche
delle \textit{pipe}, ma che invece di essere visibili solo attraverso un file
descriptor creato all'interno di un processo da una \textit{system call}
apposita, costituiscono un oggetto che risiede sul filesystem (si rammenti
quanto detto in sez.~\ref{sec:file_file_types}) che può essere aperto come un
qualunque file, così che i processi le possono usare senza dovere per forza
essere in una relazione di \textsl{parentela}.

Utilizzando una \textit{fifo} tutti i dati passeranno, come per le
\textit{pipe}, attraverso un buffer nel kernel, senza transitare dal
filesystem. Il fatto che siano associate ad un \itindex{inode}
\textit{inode} presente sul filesystem serve infatti solo a fornire un punto
di accesso per i processi, che permetta a questi ultimi di accedere alla
stessa \textit{fifo} senza avere nessuna relazione, con una semplice
\func{open}. Il comportamento delle funzioni di lettura e scrittura è identico
a quello illustrato per le \textit{pipe} in sez.~\ref{sec:ipc_pipes}.

Abbiamo già trattato in sez.~\ref{sec:file_mknod} le funzioni \func{mknod} e
\func{mkfifo} che permettono di creare una \textit{fifo}. Per utilizzarne una
un processo non avrà che da aprire il relativo \index{file!speciali} file
speciale o in lettura o scrittura; nel primo caso il processo sarà collegato
al capo di uscita della \textit{fifo}, e dovrà leggere, nel secondo al capo di
ingresso, e dovrà scrivere.

Il kernel alloca un singolo buffer per ciascuna \textit{fifo} che sia stata
aperta, e questa potrà essere acceduta contemporaneamente da più processi, sia
in lettura che in scrittura. Dato che per funzionare deve essere aperta in
entrambe le direzioni, per una \textit{fifo} la funzione \func{open} di norma
si blocca se viene eseguita quando l'altro capo non è aperto.

Le \textit{fifo} però possono essere anche aperte in modalità
\textsl{non-bloccante}, nel qual caso l'apertura del capo in lettura avrà
successo solo quando anche l'altro capo è aperto, mentre l'apertura del capo
in scrittura restituirà l'errore di \errcode{ENXIO} fintanto che non verrà
aperto il capo in lettura.

In Linux è possibile aprire le \textit{fifo} anche in lettura/scrittura (lo
standard POSIX lascia indefinito il comportamento in questo caso) operazione
che avrà sempre successo immediato qualunque sia la modalità di apertura,
bloccante e non bloccante.  Questo può essere utilizzato per aprire comunque
una \textit{fifo} in scrittura anche se non ci sono ancora processi il
lettura. Infine è possibile anche usare la \textit{fifo} all'interno di un
solo processo, nel qual caso però occorre stare molto attenti alla possibili
situazioni di stallo: se si cerca di leggere da una \textit{fifo} che non
contiene dati si avrà infatti un \itindex{deadlock} \textit{deadlock}
immediato, dato che il processo si blocca e quindi non potrà mai eseguire le
funzioni di scrittura.

Per la loro caratteristica di essere accessibili attraverso il filesystem, è
piuttosto frequente l'utilizzo di una \textit{fifo} come canale di
comunicazione nelle situazioni un processo deve ricevere informazioni da
altri. In questo caso è fondamentale che le operazioni di scrittura siano
atomiche; per questo si deve sempre tenere presente che questo è vero soltanto
fintanto che non si supera il limite delle dimensioni di \const{PIPE\_BUF} (si
ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:ipc_pipes}).

A parte il caso precedente, che resta probabilmente il più comune, Stevens
riporta in \cite{APUE} altre due casistiche principali per l'uso delle
\textit{fifo}:
\begin{itemize*}
\item Da parte dei comandi di shell, per evitare la creazione di file
  temporanei quando si devono inviare i dati di uscita di un processo
  sull'input di parecchi altri (attraverso l'uso del comando \cmd{tee}).  
\item Come canale di comunicazione fra un client ed un
  server (il modello \textit{client-server} è illustrato in
  sez.~\ref{sec:net_cliserv}).
\end{itemize*}

Nel primo caso quello che si fa è creare tante \textit{fifo} da usare come
\textit{standard input} quanti sono i processi a cui i vogliono inviare i
dati; questi ultimi saranno stati posti in esecuzione ridirigendo lo
\textit{standard input} dalle \textit{fifo}, si potrà poi eseguire il processo
che fornisce l'output replicando quest'ultimo, con il comando \cmd{tee}, sulle
varie \textit{fifo}.

Il secondo caso è relativamente semplice qualora si debba comunicare con un
processo alla volta, nel qual caso basta usare due \textit{fifo}, una per
leggere ed una per scrivere. Le cose diventano invece molto più complesse
quando si vuole effettuare una comunicazione fra un server ed un numero
imprecisato di client. Se il primo infatti può ricevere le richieste
attraverso una \textit{fifo} ``\textsl{nota}'', per le risposte non si può
fare altrettanto, dato che, per la struttura sequenziale delle \textit{fifo},
i client dovrebbero sapere prima di leggerli quando i dati inviati sono
destinati a loro.

Per risolvere questo problema, si può usare un'architettura come quella
illustrata in fig.~\ref{fig:ipc_fifo_server_arch} in cui i client
inviano le richieste al server su una \textit{fifo} nota mentre le
risposte vengono reinviate dal server a ciascuno di essi su una
\textit{fifo} temporanea creata per l'occasione.

\begin{figure}[!htb]
  \centering
  \includegraphics[height=9cm]{img/fifoserver}
  \caption{Schema dell'utilizzo delle \textit{fifo} nella realizzazione di una
    architettura di comunicazione client/server.}
  \label{fig:ipc_fifo_server_arch}
\end{figure}

Come esempio di uso questa architettura e dell'uso delle \textit{fifo},
abbiamo scritto un server di \textit{fortunes}, che restituisce, alle
richieste di un client, un detto a caso estratto da un insieme di frasi. Sia
il numero delle frasi dell'insieme, che i file da cui esse vengono lette
all'avvio, sono impostabili da riga di comando. Il corpo principale del
server è riportato in fig.~\ref{fig:ipc_fifo_server}, dove si è
tralasciata la parte che tratta la gestione delle opzioni a riga di comando,
che effettua l'impostazione delle variabili \var{fortunefilename}, che indica
il file da cui leggere le frasi, ed \var{n}, che indica il numero di frasi
tenute in memoria, ad un valore diverso da quelli preimpostati. Il codice
completo è nel file \file{FortuneServer.c}.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/FortuneServer.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del server di \textit{fortunes}
    basato sulle \textit{fifo}.}
  \label{fig:ipc_fifo_server}
\end{figure}

Il server richiede (\texttt{\small 12}) che sia stata impostata una dimensione
dell'insieme delle frasi non nulla, dato che l'inizializzazione del vettore
\var{fortune} avviene solo quando questa dimensione viene specificata, la
presenza di un valore nullo provoca l'uscita dal programma attraverso la
funzione (non riportata) che ne stampa le modalità d'uso.  Dopo di che
installa (\texttt{\small 13--15}) la funzione che gestisce i segnali di
interruzione (anche questa non è riportata in fig.~\ref{fig:ipc_fifo_server})
che si limita a rimuovere dal filesystem la \textit{fifo} usata dal server per
comunicare.

Terminata l'inizializzazione (\texttt{\small 16}) si effettua la chiamata alla
funzione \code{FortuneParse} che legge dal file specificato in
\var{fortunefilename} le prime \var{n} frasi e le memorizza (allocando
dinamicamente la memoria necessaria) nel vettore di puntatori \var{fortune}.
Anche il codice della funzione non è riportato, in quanto non direttamente
attinente allo scopo dell'esempio.

Il passo successivo (\texttt{\small 17--22}) è quello di creare con
\func{mkfifo} la \textit{fifo} nota sulla quale il server ascolterà le
richieste, qualora si riscontri un errore il server uscirà (escludendo
ovviamente il caso in cui la funzione \func{mkfifo} fallisce per la precedente
esistenza della \textit{fifo}).

Una volta che si è certi che la \textit{fifo} di ascolto esiste la procedura
di inizializzazione è completata. A questo punto si può chiamare
(\texttt{\small 23}) la funzione \func{daemon} per far proseguire l'esecuzione
del programma in background come demone.  Si può quindi procedere
(\texttt{\small 24--33}) alla apertura della \textit{fifo}: si noti che questo
viene fatto due volte, prima in lettura e poi in scrittura, per evitare di
dover gestire all'interno del ciclo principale il caso in cui il server è in
ascolto ma non ci sono client che effettuano richieste.  Si ricordi infatti
che quando una \textit{fifo} è aperta solo dal capo in lettura, l'esecuzione di
\func{read} ritorna con zero byte (si ha cioè una condizione di end-of-file).

Nel nostro caso la prima apertura si bloccherà fintanto che un qualunque
client non apre a sua volta la \textit{fifo} nota in scrittura per effettuare la sua
richiesta. Pertanto all'inizio non ci sono problemi, il client però, una volta
ricevuta la risposta, uscirà, chiudendo tutti i file aperti, compresa la
\textit{fifo}.  A questo punto il server resta (se non ci sono altri client
che stanno effettuando richieste) con la \textit{fifo} chiusa sul lato in
lettura, ed in questo stato la funzione \func{read} non si bloccherà in attesa
di dati in ingresso, ma ritornerà in continuazione, restituendo una condizione
di \textit{end-of-file}.

Si è usata questa tecnica per compatibilità, Linux infatti supporta l'apertura
delle \textit{fifo} in lettura/scrittura, per cui si sarebbe potuto effettuare
una singola apertura con \const{O\_RDWR}; la doppia apertura comunque ha il
vantaggio che non si può scrivere per errore sul capo aperto in sola lettura.

Per questo motivo, dopo aver eseguito l'apertura in lettura (\texttt{\small
  24--28}),\footnote{di solito si effettua l'apertura del capo in lettura di
  una \textit{fifo} in modalità non bloccante, per evitare il rischio di uno
  stallo: se infatti nessuno apre la \textit{fifo} in scrittura il processo
  non ritornerà mai dalla \func{open}. Nel nostro caso questo rischio non
  esiste, mentre è necessario potersi bloccare in lettura in attesa di una
  richiesta.}  si esegue una seconda apertura in scrittura (\texttt{\small
  29--32}), scartando il relativo file descriptor, che non sarà mai usato, in
questo modo però la \textit{fifo} resta comunque aperta anche in scrittura,
cosicché le successive chiamate a \func{read} possono bloccarsi.

A questo punto si può entrare nel ciclo principale del programma che fornisce
le risposte ai client (\texttt{\small 34--50}); questo viene eseguito
indefinitamente (l'uscita del server viene effettuata inviando un segnale, in
modo da passare attraverso la funzione di chiusura che cancella la
\textit{fifo}).

Il server è progettato per accettare come richieste dai client delle stringhe
che contengono il nome della \textit{fifo} sulla quale deve essere inviata la
risposta.  Per cui prima (\texttt{\small 35--39}) si esegue la lettura dalla
stringa di richiesta dalla \textit{fifo} nota (che a questo punto si bloccherà
tutte le volte che non ci sono richieste). Dopo di che, una volta terminata la
stringa (\texttt{\small 40}) e selezionato (\texttt{\small 41}) un numero
casuale per ricavare la frase da inviare, si procederà (\texttt{\small
  42--46}) all'apertura della \textit{fifo} per la risposta, che poi
\texttt{\small 47--48}) vi sarà scritta. Infine (\texttt{\small 49}) si chiude
la \textit{fifo} di risposta che non serve più.

Il codice del client è invece riportato in fig.~\ref{fig:ipc_fifo_client},
anche in questo caso si è omessa la gestione delle opzioni e la funzione che
stampa a video le informazioni di utilizzo ed esce, riportando solo la sezione
principale del programma e le definizioni delle variabili. Il codice completo
è nel file \file{FortuneClient.c} dei sorgenti allegati.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/FortuneClient.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del client di \textit{fortunes}
    basato sulle \textit{fifo}.}
  \label{fig:ipc_fifo_client}
\end{figure}

La prima istruzione (\texttt{\small 12}) compone il nome della \textit{fifo}
che dovrà essere utilizzata per ricevere la risposta dal server.  Si usa il
\ids{PID} del processo per essere sicuri di avere un nome univoco; dopo di che
(\texttt{\small 13-18}) si procede alla creazione del relativo file, uscendo
in caso di errore (a meno che il file non sia già presente sul filesystem).

A questo punto il client può effettuare l'interrogazione del server, per
questo prima si apre la \textit{fifo} nota (\texttt{\small 19--23}), e poi ci
si scrive (\texttt{\small 24}) la stringa composta in precedenza, che contiene
il nome della \textit{fifo} da utilizzare per la risposta. Infine si richiude
la \textit{fifo} del server che a questo punto non serve più (\texttt{\small
  25}).

Inoltrata la richiesta si può passare alla lettura della risposta; anzitutto
si apre (\texttt{\small 26--30}) la \textit{fifo} appena creata, da cui si
deve riceverla, dopo di che si effettua una lettura (\texttt{\small 31})
nell'apposito buffer; si è supposto, come è ragionevole, che le frasi inviate
dal server siano sempre di dimensioni inferiori a \const{PIPE\_BUF},
tralasciamo la gestione del caso in cui questo non è vero. Infine si stampa
(\texttt{\small 32}) a video la risposta, si chiude (\texttt{\small 33}) la
\textit{fifo} e si cancella (\texttt{\small 34}) il relativo file.  Si noti
come la \textit{fifo} per la risposta sia stata aperta solo dopo aver inviato
la richiesta, se non si fosse fatto così si avrebbe avuto uno stallo, in
quanto senza la richiesta, il server non avrebbe potuto aprirne il capo in
scrittura e l'apertura si sarebbe bloccata indefinitamente.

Verifichiamo allora il comportamento dei nostri programmi, in questo, come in
altri esempi precedenti, si fa uso delle varie funzioni di servizio, che sono
state raccolte nella libreria \file{libgapil.so}, per poter usare quest'ultima
occorrerà definire la variabile di ambiente \envvar{LD\_LIBRARY\_PATH} in modo
che il linker dinamico possa accedervi.

In generale questa variabile indica il \textit{pathname} della directory
contenente la libreria. Nell'ipotesi (che daremo sempre per verificata) che si
facciano le prove direttamente nella directory dei sorgenti (dove di norma
vengono creati sia i programmi che la libreria), il comando da dare sarà
\code{export LD\_LIBRARY\_PATH=./}; a questo punto potremo lanciare il server,
facendogli leggere una decina di frasi, con:
\begin{Console}
[piccardi@gont sources]$ \textbf{./fortuned -n10}
\end{Console}
%$

Avendo usato \func{daemon} per eseguire il server in background il comando
ritornerà immediatamente, ma potremo verificare con \cmd{ps} che in effetti il
programma resta un esecuzione in background, e senza avere associato un
terminale di controllo (si ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:sess_daemon}):
\begin{Console}
[piccardi@gont sources]$ \textbf{ps aux}
...
piccardi 27489  0.0  0.0  1204  356 ?        S    01:06   0:00 ./fortuned -n10
piccardi 27492  3.0  0.1  2492  764 pts/2    R    01:08   0:00 ps aux
\end{Console}
%$
e si potrà verificare anche che in \file{/tmp} è stata creata la \textit{fifo}
di ascolto \file{fortune.fifo}. A questo punto potremo interrogare il server
con il programma client; otterremo così:
\begin{Console}
[piccardi@gont sources]$ \textbf{./fortune}
Linux ext2fs has been stable for a long time, now it's time to break it
        -- Linuxkongreß '95 in Berlin
[piccardi@gont sources]$ \textbf{./fortune}
Let's call it an accidental feature.
        --Larry Wall
[piccardi@gont sources]$ \textbf{./fortune}
.........    Escape the 'Gates' of Hell
  `:::'                  .......  ......
   :::  *                  `::.    ::'
   ::: .::  .:.::.  .:: .::  `::. :'
   :::  ::   ::  ::  ::  ::    :::.
   ::: .::. .::  ::.  `::::. .:'  ::.
...:::.....................::'   .::::..
        -- William E. Roadcap
[piccardi@gont sources]$ ./fortune
Linux ext2fs has been stable for a long time, now it's time to break it
        -- Linuxkongreß '95 in Berlin
\end{Console}
%$
e ripetendo varie volte il comando otterremo, in ordine casuale, le dieci
frasi tenute in memoria dal server.

Infine per chiudere il server basterà inviargli un segnale di terminazione (ad
esempio con \cmd{killall fortuned}) e potremo verificare che il gestore del
segnale ha anche correttamente cancellato la \textit{fifo} di ascolto da
\file{/tmp}.

Benché il nostro sistema client-server funzioni, la sua struttura è piuttosto
complessa e continua ad avere vari inconvenienti\footnote{lo stesso Stevens,
  che esamina questa architettura in \cite{APUE}, nota come sia impossibile
  per il server sapere se un client è andato in crash, con la possibilità di
  far restare le \textit{fifo} temporanee sul filesystem, di come sia
  necessario intercettare \signal{SIGPIPE} dato che un client può terminare
  dopo aver fatto una richiesta, ma prima che la risposta sia inviata (cosa
  che nel nostro esempio non è stata fatta).}; in generale infatti
l'interfaccia delle \textit{fifo} non è adatta a risolvere questo tipo di
problemi, che possono essere affrontati in maniera più semplice ed efficace o
usando i socket (che tratteremo in dettaglio a partire da
cap.~\ref{cha:socket_intro}) o ricorrendo a meccanismi di comunicazione
diversi, come quelli che esamineremo in seguito.



\subsection{La funzione \func{socketpair}}
\label{sec:ipc_socketpair}

Un meccanismo di comunicazione molto simile alle \textit{pipe}, ma che non
presenta il problema della unidirezionalità del flusso dei dati, è quello dei
cosiddetti \textsl{socket locali} (o \textit{Unix domain socket}).  Tratteremo
in generale i socket in cap.~\ref{cha:socket_intro}, nell'ambito
dell'interfaccia che essi forniscono per la programmazione di rete, e vedremo
anche (in~sez.~\ref{sec:sock_sa_local}) come si possono utilizzare i
\index{file!speciali} file speciali di tipo socket, analoghi a quelli
associati alle \textit{fifo} (si rammenti sez.~\ref{sec:file_file_types}) cui
si accede però attraverso quella medesima interfaccia; vale però la pena
esaminare qui una modalità di uso dei socket locali che li rende
sostanzialmente identici ad una \textit{pipe} bidirezionale.

La funzione di sistema \funcd{socketpair}, introdotta da BSD ma supportata in
genere da qualunque sistema che fornisca l'interfaccia dei socket ed inclusa
in POSIX.1-2001, consente infatti di creare una coppia di file descriptor
connessi fra loro (tramite un socket, appunto) senza dover ricorrere ad un
\index{file!speciali} file speciale sul filesystem. I descrittori sono del
tutto analoghi a quelli che si avrebbero con una chiamata a \func{pipe}, con
la sola differenza è che in questo caso il flusso dei dati può essere
effettuato in entrambe le direzioni. Il prototipo della funzione è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h} 
\fhead{sys/socket.h}
\fdecl{int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2])}
\fdesc{Crea una coppia di socket connessi fra loro.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EAFNOSUPPORT}] i socket locali non sono supportati.
  \item[\errcode{EOPNOTSUPP}] il protocollo specificato non supporta la
  creazione di coppie di socket.
  \item[\errcode{EPROTONOSUPPORT}] il protocollo specificato non è supportato.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT}, \errval{EMFILE} e \errval{ENFILE} nel loro
  significato generico.}
\end{funcproto}

La funzione restituisce in \param{sv} la coppia di descrittori connessi fra di
loro: quello che si scrive su uno di essi sarà ripresentato in input
sull'altro e viceversa. Gli argomenti \param{domain}, \param{type} e
\param{protocol} derivano dall'interfaccia dei socket (vedi
sez.~\ref{sec:sock_creation}) che è quella che fornisce il substrato per
connettere i due descrittori, ma in questo caso i soli valori validi che
possono essere specificati sono rispettivamente \const{AF\_UNIX},
\const{SOCK\_STREAM} e \val{0}.  

A partire dal kernel 2.6.27 la funzione supporta anche l'uso dei flag
\const{SOCK\_NONBLOCK} e \const{SOCK\_CLOEXEC} (trattati in
sez.~\ref{sec:sock_type}) nell'indicazione del tipo di socket, con effetto
identico agli analoghi \const{O\_CLOEXEC} e \const{O\_NONBLOCK} di una
\func{open} (vedi tab.~\ref{tab:open_operation_flag}).

L'utilità di chiamare questa funzione per evitare due chiamate a \func{pipe}
può sembrare limitata; in realtà l'utilizzo di questa funzione (e dei socket
locali in generale) permette di trasmettere attraverso le linea non solo dei
dati, ma anche dei file descriptor: si può cioè passare da un processo ad un
altro un file descriptor, con una sorta di duplicazione dello stesso non
all'interno di uno stesso processo, ma fra processi distinti (torneremo su
questa funzionalità in sez.~\ref{sec:sock_fd_passing}).


\section{L'intercomunicazione fra processi di System V}
\label{sec:ipc_sysv}

Benché le \textit{pipe} e le \textit{fifo} siano ancora ampiamente usate, esse
scontano il limite fondamentale che il meccanismo di comunicazione che
forniscono è rigidamente sequenziale: una situazione in cui un processo scrive
qualcosa che molti altri devono poter leggere non può essere implementata con
una \textit{pipe}.

Per questo nello sviluppo di System V vennero introdotti una serie di nuovi
oggetti per la comunicazione fra processi ed una nuova interfaccia di
programmazione, poi inclusa anche in POSIX.1-2001, che fossero in grado di
garantire una maggiore flessibilità.  In questa sezione esamineremo come Linux
supporta quello che viene chiamato il \textsl{Sistema di comunicazione fra
  processi} di System V, cui da qui in avanti faremo riferimento come
\textit{SysV-IPC} (dove IPC è la sigla di \textit{Inter-Process
  Comunication}).



\subsection{Considerazioni generali}
\label{sec:ipc_sysv_generic}

La principale caratteristica del \textit{SysV-IPC} è quella di essere basato
su oggetti permanenti che risiedono nel kernel. Questi, a differenza di quanto
avviene per i file descriptor, non mantengono un contatore dei riferimenti, e
non vengono cancellati dal sistema una volta che non sono più in uso.  Questo
comporta due problemi: il primo è che, al contrario di quanto avviene per
\textit{pipe} e \textit{fifo}, la memoria allocata per questi oggetti non
viene rilasciata automaticamente quando non c'è più nessuno che li utilizzi ed
essi devono essere cancellati esplicitamente, se non si vuole che restino
attivi fino al riavvio del sistema. Il secondo problema è, dato che non c'è
come per i file un contatore del numero di riferimenti che ne indichi l'essere
in uso, che essi possono essere cancellati anche se ci sono dei processi che
li stanno utilizzando, con tutte le conseguenze (ovviamente assai sgradevoli)
del caso.

Un'ulteriore caratteristica negativa è che gli oggetti usati nel
\textit{SysV-IPC} vengono creati direttamente dal kernel, e sono accessibili
solo specificando il relativo \textsl{identificatore}. Questo è un numero
progressivo (un po' come il \ids{PID} dei processi) che il kernel assegna a
ciascuno di essi quanto vengono creati (sul procedimento di assegnazione
torneremo in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_id_use}). L'identificatore viene
restituito dalle funzioni che creano l'oggetto, ed è quindi locale al processo
che le ha eseguite. Dato che l'identificatore viene assegnato dinamicamente
dal kernel non è possibile prevedere quale sarà, né utilizzare un qualche
valore statico, si pone perciò il problema di come processi diversi possono
accedere allo stesso oggetto.

Per risolvere il problema nella struttura \struct{ipc\_perm} che il kernel
associa a ciascun oggetto, viene mantenuto anche un campo apposito che
contiene anche una \textsl{chiave}, identificata da una variabile del tipo
primitivo \type{key\_t}, da specificare in fase di creazione dell'oggetto, e
tramite la quale è possibile ricavare l'identificatore.\footnote{in sostanza
  si sposta il problema dell'accesso dalla classificazione in base
  all'identificatore alla classificazione in base alla chiave, una delle tante
  complicazioni inutili presenti nel \textit{SysV-IPC}.} Oltre la chiave, la
struttura, la cui definizione è riportata in fig.~\ref{fig:ipc_ipc_perm},
mantiene varie proprietà ed informazioni associate all'oggetto.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{0.80\textwidth}
    \includestruct{listati/ipc_perm.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{ipc\_perm}, come definita in
    \headfile{sys/ipc.h}.}
  \label{fig:ipc_ipc_perm}
\end{figure}

Usando la stessa chiave due processi diversi possono ricavare l'identificatore
associato ad un oggetto ed accedervi. Il problema che sorge a questo punto è
come devono fare per accordarsi sull'uso di una stessa chiave. Se i processi
sono \textsl{imparentati} la soluzione è relativamente semplice, in tal caso
infatti si può usare il valore speciale \texttt{IPC\_PRIVATE} per creare un
nuovo oggetto nel processo padre, l'identificatore così ottenuto sarà
disponibile in tutti i figli, e potrà essere passato come argomento attraverso
una \func{exec}.

Però quando i processi non sono \textsl{imparentati} (come capita tutte le
volte che si ha a che fare con un sistema client-server) tutto questo non è
possibile; si potrebbe comunque salvare l'identificatore su un file noto, ma
questo ovviamente comporta lo svantaggio di doverselo andare a rileggere.  Una
alternativa più efficace è quella che i programmi usino un valore comune per
la chiave (che ad esempio può essere dichiarato in un header comune), ma c'è
sempre il rischio che questa chiave possa essere stata già utilizzata da
qualcun altro.  Dato che non esiste una convenzione su come assegnare queste
chiavi in maniera univoca l'interfaccia mette a disposizione una funzione
apposita, \funcd{ftok}, che permette di ottenere una chiave specificando il
nome di un file ed un numero di versione; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h} 
\fhead{sys/ipc.h} 
\fdecl{key\_t ftok(const char *pathname, int proj\_id)}
\fdesc{Restituisce una chiave per identificare un oggetto del \textit{SysV
    IPC}.}}

{La funzione ritorna la chiave in caso di successo e $-1$ per un errore, nel
  qual caso \var{errno} assumerà uno dei possibili codici di errore di
  \func{stat}.}
\end{funcproto}

La funzione determina un valore della chiave sulla base di \param{pathname},
che deve specificare il \textit{pathname} di un file effettivamente esistente
e di un numero di progetto \param{proj\_id)}, che di norma viene specificato
come carattere, dato che ne vengono utilizzati solo gli 8 bit meno
significativi. Nelle \acr{libc4} e \acr{libc5}, come avviene in SunOS,
l'argomento \param{proj\_id} è dichiarato tipo \ctyp{char}, la \acr{glibc} usa
il prototipo specificato da XPG4, ma vengono lo stesso utilizzati gli 8 bit
meno significativi.

Il problema è che anche così non c'è la sicurezza che il valore della chiave
sia univoco, infatti esso è costruito combinando il byte di \param{proj\_id)}
con i 16 bit meno significativi \itindex{inode} dell'inode del file
\param{pathname} (che vengono ottenuti attraverso \func{stat}, da cui derivano
i possibili errori), e gli 8 bit meno significativi del numero del dispositivo
su cui è il file.  Diventa perciò relativamente facile ottenere delle
collisioni, specie se i file sono su dispositivi con lo stesso
\itindex{minor~number} \textit{minor number}, come \file{/dev/hda1} e
\file{/dev/sda1}.

In genere quello che si fa è utilizzare un file comune usato dai programmi che
devono comunicare (ad esempio un header comune, o uno dei programmi che devono
usare l'oggetto in questione), utilizzando il numero di progetto per ottenere
le chiavi che interessano. In ogni caso occorre sempre controllare, prima di
creare un oggetto, che la chiave non sia già stata utilizzata. Se questo va
bene in fase di creazione, le cose possono complicarsi per i programmi che
devono solo accedere, in quanto, a parte gli eventuali controlli sugli altri
attributi di \struct{ipc\_perm}, non esiste una modalità semplice per essere
sicuri che l'oggetto associato ad una certa chiave sia stato effettivamente
creato da chi ci si aspetta.

Questo è, insieme al fatto che gli oggetti sono permanenti e non mantengono un
contatore di riferimenti per la cancellazione automatica, il principale
problema del \textit{SysV-IPC}. Non esiste infatti una modalità chiara per
identificare un oggetto, come sarebbe stato se lo si fosse associato ad in
file, e tutta l'interfaccia è inutilmente complessa.  Per questo se ne
sconsiglia assolutamente l'uso nei nuovi programmi, considerato che è ormai
disponibile una revisione completa dei meccamismi di IPC fatta secondo quanto
indicato dallo standard POSIX.1b, che presenta una realizzazione più sicura ed
una interfaccia più semplice, che tratteremo in sez.~\ref{sec:ipc_posix}.


\subsection{Il controllo di accesso}
\label{sec:ipc_sysv_access_control}

Oltre alle chiavi, abbiamo visto in fig.~\ref{fig:ipc_ipc_perm} che ad ogni
oggetto sono associate in \struct{ipc\_perm} ulteriori informazioni, come gli
identificatori del creatore (nei campi \var{cuid} e \var{cgid}) e del
proprietario (nei campi \var{uid} e \var{gid}) dello stesso, e un insieme di
permessi (nel campo \var{mode}). In questo modo è possibile definire un
controllo di accesso sugli oggetti di IPC, simile a quello che si ha per i
file (vedi sez.~\ref{sec:file_perm_overview}).

Benché questo controllo di accesso sia molto simile a quello dei file, restano
delle importanti differenze. La prima è che il permesso di esecuzione non
esiste (e se specificato viene ignorato), per cui si può parlare solo di
permessi di lettura e scrittura (nel caso dei semafori poi quest'ultimo è più
propriamente un permesso di modifica). I valori di \var{mode} sono gli stessi
ed hanno lo stesso significato di quelli riportati in
tab.~\ref{tab:file_mode_flags} e come per i file definiscono gli accessi per
il proprietario, il suo gruppo e tutti gli altri. 

Se però si vogliono usare le costanti simboliche di
tab.~\ref{tab:file_mode_flags} occorrerà includere anche il file
\headfile{sys/stat.h}; alcuni sistemi definiscono le costanti \const{MSG\_R}
(il valore ottale \texttt{0400}) e \const{MSG\_W} (il valore ottale
\texttt{0200}) per indicare i permessi base di lettura e scrittura per il
proprietario, da utilizzare, con gli opportuni shift, pure per il gruppo e gli
altri. In Linux, visto la loro scarsa utilità, queste costanti non sono
definite.

Quando l'oggetto viene creato i campi \var{cuid} e \var{uid} di
\struct{ipc\_perm} ed i campi \var{cgid} e \var{gid} vengono impostati
rispettivamente al valore dell'\ids{UID} e del \ids{GID} effettivo del processo
che ha chiamato la funzione, ma, mentre i campi \var{uid} e \var{gid} possono
essere cambiati, i campi \var{cuid} e \var{cgid} restano sempre gli stessi.

Il controllo di accesso è effettuato a due livelli. Il primo livello è nelle
funzioni che richiedono l'identificatore di un oggetto data la chiave. Queste
specificano tutte un argomento \param{flag}, in tal caso quando viene
effettuata la ricerca di una chiave, qualora \param{flag} specifichi dei
permessi, questi vengono controllati e l'identificatore viene restituito solo
se corrispondono a quelli dell'oggetto. Se ci sono dei permessi non presenti
in \var{mode} l'accesso sarà negato. Questo controllo però è di utilità
indicativa, dato che è sempre possibile specificare per \param{flag} un valore
nullo, nel qual caso l'identificatore sarà restituito comunque.

Il secondo livello di controllo è quello delle varie funzioni che accedono
direttamente (in lettura o scrittura) all'oggetto. In tal caso lo schema dei
controlli è simile a quello dei file, ed avviene secondo questa sequenza:
\begin{itemize*}
\item se il processo ha i privilegi di amministratore (più precisamente la
  capacità \itindex{capability} \const{CAP\_IPC\_OWNER}) l'accesso è sempre
  consentito.
\item se l'\ids{UID} effettivo del processo corrisponde o al valore del campo
  \var{cuid} o a quello del campo \var{uid} ed il permesso per il proprietario
  in \var{mode} è appropriato\footnote{per appropriato si intende che è
    impostato il permesso di scrittura per le operazioni di scrittura e quello
    di lettura per le operazioni di lettura.} l'accesso è consentito.
\item se il \ids{GID} effettivo del processo corrisponde o al
  valore del campo \var{cgid} o a quello del campo \var{gid} ed il permesso
  per il gruppo in \var{mode} è appropriato l'accesso è consentito.
\item se il permesso per gli altri è appropriato l'accesso è consentito.
\end{itemize*}
solo se tutti i controlli elencati falliscono l'accesso è negato. Si noti che
a differenza di quanto avviene per i permessi dei file, fallire in uno dei
passi elencati non comporta il fallimento dell'accesso. Un'ulteriore
differenza rispetto a quanto avviene per i file è che per gli oggetti di IPC
il valore di \itindex{umask} \textit{umask} (si ricordi quanto esposto in
sez.~\ref{sec:file_perm_management}) non ha alcun significato.


\subsection{Gli identificatori ed il loro utilizzo}
\label{sec:ipc_sysv_id_use}

L'unico campo di \struct{ipc\_perm} del quale non abbiamo ancora parlato è
\var{seq}, che in fig.~\ref{fig:ipc_ipc_perm} è qualificato con un criptico
``\textsl{numero di sequenza}'', ne parliamo adesso dato che esso è
strettamente attinente alle modalità con cui il kernel assegna gli
identificatori degli oggetti del sistema di IPC.

Quando il sistema si avvia, alla creazione di ogni nuovo oggetto di IPC viene
assegnato un numero progressivo, pari al numero di oggetti di quel tipo
esistenti. Se il comportamento fosse sempre questo sarebbe identico a quello
usato nell'assegnazione dei file descriptor nei processi, ed i valori degli
identificatori tenderebbero ad essere riutilizzati spesso e restare di piccole
dimensioni (inferiori al numero massimo di oggetti disponibili).

Questo va benissimo nel caso dei file descriptor, che sono locali ad un
processo, ma qui il comportamento varrebbe per tutto il sistema, e per
processi del tutto scorrelati fra loro. Così si potrebbero avere situazioni
come quella in cui un server esce e cancella le sue code di messaggi, ed il
relativo identificatore viene immediatamente assegnato a quelle di un altro
server partito subito dopo, con la possibilità che i client del primo non
facciano in tempo ad accorgersi dell'avvenuto, e finiscano con l'interagire
con gli oggetti del secondo, con conseguenze imprevedibili.

Proprio per evitare questo tipo di situazioni il sistema usa il valore di
\var{seq} per provvedere un meccanismo che porti gli identificatori ad
assumere tutti i valori possibili, rendendo molto più lungo il periodo in cui
un identificatore può venire riutilizzato.

Il sistema dispone sempre di un numero fisso di oggetti di IPC, fino al kernel
2.2.x questi erano definiti dalle costanti \const{MSGMNI}, \const{SEMMNI} e
\const{SHMMNI}, e potevano essere cambiati (come tutti gli altri limiti
relativi al \textit{SysV-IPC}) solo con una ricompilazione del kernel.  A
partire dal kernel 2.4.x è possibile cambiare questi valori a sistema attivo
scrivendo sui file \sysctlrelfile{kernel}{shmmni},
\sysctlrelfile{kernel}{msgmni} e \sysctlrelfile{kernel}{sem} di
\file{/proc/sys/kernel} o con l'uso di \func{sysctl}.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/IPCTestId.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del programma di test per l'assegnazione degli
    identificatori degli oggetti di IPC \file{IPCTestId.c}.}
  \label{fig:ipc_sysv_idtest}
\end{figure}

Per ciascun tipo di oggetto di IPC viene mantenuto in \var{seq} un numero di
sequenza progressivo che viene incrementato di uno ogni volta che l'oggetto
viene cancellato. Quando l'oggetto viene creato usando uno spazio che era già
stato utilizzato in precedenza, per restituire il nuovo identificatore al
numero di oggetti presenti viene sommato il valore corrente del campo
\var{seq}, moltiplicato per il numero massimo di oggetti di quel tipo.

Questo in realtà è quanto avveniva fino ai kernel della serie 2.2, dalla serie
2.4 viene usato lo stesso fattore di moltiplicazione per qualunque tipo di
oggetto, utilizzando il valore dalla costante \const{IPCMNI} (definita in
\file{include/linux/ipc.h}), che indica il limite massimo complessivo per il
numero di tutti gli oggetti presenti nel \textit{SysV-IPC}, ed il cui default
è 32768.  Si evita così il riutilizzo degli stessi numeri, e si fa sì che
l'identificatore assuma tutti i valori possibili.

In fig.~\ref{fig:ipc_sysv_idtest} è riportato il codice di un semplice
programma di test che si limita a creare un oggetto di ICP (specificato con
una opzione a riga di comando), stamparne il numero di identificatore, e
cancellarlo, il tutto un numero di volte specificato tramite una seconda
opzione.  La figura non riporta il codice di selezione delle opzioni, che
permette di inizializzare i valori delle variabili \var{type} al tipo di
oggetto voluto, e \var{n} al numero di volte che si vuole effettuare il ciclo
di creazione, stampa, cancellazione.

I valori di default sono per l'uso delle code di messaggi e per 5 ripetizioni
del ciclo. Per questo motivo se non si utilizzano opzioni verrà eseguito per
cinque volte il ciclo (\texttt{\small 7-11}), in cui si crea una coda di
messaggi (\texttt{\small 8}), se ne stampa l'identificativo (\texttt{\small
  9}) e la si rimuove (\texttt{\small 10}). Non stiamo ad approfondire adesso
il significato delle funzioni utilizzate, che verranno esaminate nelle
prossime sezioni. 

Quello che ci interessa infatti è verificare l'allocazione degli
identificativi associati agli oggetti; lanciando il comando si otterrà
pertanto qualcosa del tipo:
\begin{Console}
piccardi@gont sources]$ \textbf{./ipctestid}
Identifier Value 0 
Identifier Value 32768 
Identifier Value 65536 
Identifier Value 98304 
Identifier Value 131072
\end{Console}
%$
il che ci mostra che stiamo lavorando con un kernel posteriore alla serie 2.2
nel quale non avevamo ancora usato nessuna coda di messaggi (il valore nullo
del primo identificativo indica che il campo \var{seq} era zero). Ripetendo il
comando, e quindi eseguendolo in un processo diverso, in cui non può esistere
nessuna traccia di quanto avvenuto in precedenza, otterremo come nuovo
risultato:
\begin{Console}
[piccardi@gont sources]$ \textbf{./ipctestid}
Identifier Value 163840
Identifier Value 196608 
Identifier Value 229376 
Identifier Value 262144 
Identifier Value 294912 
\end{Console}
%$
in cui la sequenza numerica prosegue, cosa che ci mostra come il valore di
\var{seq} continui ad essere incrementato e costituisca in effetti una
quantità mantenuta all'interno del sistema ed indipendente dai processi.


\subsection{Code di messaggi}
\label{sec:ipc_sysv_mq}

Il primo oggetto introdotto dal \textit{SysV-IPC} è quello delle code di
messaggi.  Le code di messaggi sono oggetti analoghi alle \textit{pipe} o alle
\textit{fifo} ed il loro scopo principale è quello di fornire a processi
diversi un meccanismo con cui scambiarsi dei dati in forma di messaggio. Dato
che le \textit{pipe} e le \textit{fifo} costituiscono una ottima alternativa,
ed in genere sono molto più semplici da usare, le code di messaggi sono il
meno utilizzato degli oggetti introdotti dal \textit{SysV-IPC}.

La funzione di sistema che permette di ottenere l'identificativo di una coda
di messaggi esistente per potervi accedere, oppure di creare una nuova coda
qualora quella indicata non esista ancora, è \funcd{msgget}, e il suo
prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h}
\fhead{sys/ipc.h} 
\fhead{sys/msg.h} 
\fdecl{int msgget(key\_t key, int flag)}
\fdesc{Ottiene o crea una coda di messaggi.} 
}

{La funzione ritorna l'identificatore (un intero positivo) in caso di successo
  e $-1$ per un errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EACCES}] il processo chiamante non ha i privilegi per
    accedere alla coda richiesta.
  \item[\errcode{EEXIST}] si è richiesta la creazione di una coda che già
    esiste, ma erano specificati sia \const{IPC\_CREAT} che \const{IPC\_EXCL}.
  \item[\errcode{EIDRM}] la coda richiesta è marcata per essere cancellata
    (solo fino al kernel 2.3.20).
  \item[\errcode{ENOENT}] si è cercato di ottenere l'identificatore di una coda
    di messaggi specificando una chiave che non esiste e \const{IPC\_CREAT}
    non era specificato.
  \item[\errcode{ENOSPC}] si è cercato di creare una coda di messaggi quando è
    stato superato il limite massimo di code (\const{MSGMNI}).
 \end{errlist}
 ed inoltre \errval{ENOMEM} nel suo significato generico.}
\end{funcproto}

Le funzione (come le analoghe che si usano per gli altri oggetti) serve sia a
ottenere l'identificatore di una coda di messaggi esistente, che a crearne una
nuova. L'argomento \param{key} specifica la chiave che è associata
all'oggetto, eccetto il caso in cui si specifichi il valore
\const{IPC\_PRIVATE}, nel qual caso la coda è creata ex-novo e non vi è
associata alcuna chiave (per questo viene detta \textsl{privata}), ed il
processo e i suoi eventuali figli potranno farvi riferimento solo attraverso
l'identificatore.

Se invece si specifica un valore diverso da \const{IPC\_PRIVATE} (in Linux
questo significa un valore diverso da zero) l'effetto della funzione dipende
dal valore di \param{flag}, se questo è nullo la funzione si limita ad
effettuare una ricerca sugli oggetti esistenti, restituendo l'identificatore
se trova una corrispondenza, o fallendo con un errore di \errcode{ENOENT} se
non esiste o di \errcode{EACCES} se si sono specificati dei permessi non
validi.

Se invece si vuole creare una nuova coda di messaggi \param{flag} non può
essere nullo e deve essere fornito come maschera binaria, impostando il bit
corrispondente al valore \const{IPC\_CREAT}. In questo caso i nove bit meno
significativi di \param{flag} saranno usati come permessi per il nuovo
oggetto, secondo quanto illustrato in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_access_control}.
Se si imposta anche il bit corrispondente a \const{IPC\_EXCL} la funzione avrà
successo solo se l'oggetto non esiste già, fallendo con un errore di
\errcode{EEXIST} altrimenti.

Si tenga conto che l'uso di \const{IPC\_PRIVATE} non impedisce ad altri
processi di accedere alla coda, se hanno privilegi sufficienti, una volta che
questi possano indovinare o ricavare, ad esempio per tentativi,
l'identificatore ad essa associato. Per come sono implementati gli oggetti di
IPC infatti non esiste alcun modo in cui si possa garantire l'accesso
esclusivo ad una coda di messaggi.  Usare \const{IPC\_PRIVATE} o
\const{IPC\_CREAT} e \const{IPC\_EXCL} per \param{flag} comporta solo la
creazione di una nuova coda.

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|r|l|l|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Valore} & \textbf{File in \file{/proc}}
    & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \const{MSGMNI}&   16& \file{msgmni} & Numero massimo di code di
                                          messaggi.\\
    \const{MSGMAX}& 8192& \file{msgmax} & Dimensione massima di un singolo
                                          messaggio.\\
    \const{MSGMNB}&16384& \file{msgmnb} & Dimensione massima del contenuto di 
                                          una coda.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori delle costanti associate ai limiti delle code di messaggi.}
  \label{tab:ipc_msg_limits}
\end{table}

Le code di messaggi sono caratterizzate da tre limiti fondamentali, un tempo
definiti staticamente e corrispondenti alle prime tre costanti riportate in
tab.~\ref{tab:ipc_msg_limits}.  Come accennato però con tutte le versioni più
recenti del kernel con Linux è possibile modificare questi limiti attraverso
l'uso di \func{sysctl} o scrivendo nei file \sysctlrelfile{kernel}{msgmax},
\sysctlrelfile{kernel}{msgmnb} e \sysctlrelfile{kernel}{msgmni} di
\file{/proc/sys/kernel/}.

Una coda di messaggi è costituita da una \itindex{linked~list} \textit{linked
  list}.\footnote{una \itindex{linked~list} \textit{linked list} è una tipica
  struttura di dati, organizzati in una lista in cui ciascun elemento contiene
  un puntatore al successivo. In questo modo la struttura è veloce
  nell'estrazione ed immissione dei dati dalle estremità dalla lista (basta
  aggiungere un elemento in testa o in coda ed aggiornare un puntatore), e
  relativamente veloce da attraversare in ordine sequenziale (seguendo i
  puntatori), è invece relativamente lenta nell'accesso casuale e nella
  ricerca.}  I nuovi messaggi vengono inseriti in coda alla lista e vengono
letti dalla cima, in fig.~\ref{fig:ipc_mq_schema} si è riportato uno schema
semplificato con cui queste strutture vengono mantenute dal
kernel.\footnote{lo schema illustrato è in realtà una semplificazione di
  quello usato fino ai kernel della serie 2.2, a partire della serie 2.4 la
  gestione delle code di messaggi è effettuata in maniera diversa, ma abbiamo
  mantenuto lo schema precedente dato che illustra in maniera più che adeguata
  i principi di funzionamento delle code di messaggi.}

\begin{figure}[!htb]
  \centering \includegraphics[width=13cm]{img/mqstruct}
  \caption{Schema della struttura di una coda messaggi.}
  \label{fig:ipc_mq_schema}
\end{figure}


A ciascuna coda è associata una struttura \struct{msqid\_ds} la cui
definizione è riportata in fig.~\ref{fig:ipc_msqid_ds}. In questa struttura il
kernel mantiene le principali informazioni riguardo lo stato corrente della
coda.\footnote{come accennato questo vale fino ai kernel della serie 2.2, essa
  viene usata nei kernel della serie 2.4 solo per compatibilità in quanto è
  quella restituita dalle funzioni dell'interfaccia; si noti come ci sia una
  differenza con i campi mostrati nello schema di fig.~\ref{fig:ipc_mq_schema}
  che sono presi dalla definizione di \file{include/linux/msg.h}, e fanno
  riferimento alla definizione della omonima struttura usata nel kernel.} In
fig.~\ref{fig:ipc_msqid_ds} sono elencati i campi significativi definiti in
\headfile{sys/msg.h}, a cui si sono aggiunti gli ultimi tre campi che sono
previsti dalla implementazione originale di System V, ma non dallo standard
Unix98.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/msqid_ds.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{msqid\_ds}, associata a ciascuna coda di
    messaggi.}
  \label{fig:ipc_msqid_ds}
\end{figure}

Quando si crea una nuova coda con \func{msgget} questa struttura viene
inizializzata, in particolare il campo \var{msg\_perm} viene inizializzato
come illustrato in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_access_control}, per quanto riguarda
gli altri campi invece:
\begin{itemize*}
\item il campo \var{msg\_qnum}, che esprime il numero di messaggi presenti
  sulla coda, viene inizializzato a 0.
\item i campi \var{msg\_lspid} e \var{msg\_lrpid}, che esprimono
  rispettivamente il \ids{PID} dell'ultimo processo che ha inviato o ricevuto
  un messaggio sulla coda, sono inizializzati a 0.
\item i campi \var{msg\_stime} e \var{msg\_rtime}, che esprimono
  rispettivamente il tempo in cui è stato inviato o ricevuto l'ultimo
  messaggio sulla coda, sono inizializzati a 0.
\item il campo \var{msg\_ctime}, che esprime il tempo di creazione della coda,
  viene inizializzato al tempo corrente.
\item il campo \var{msg\_qbytes} che esprime la dimensione massima del
  contenuto della coda (in byte) viene inizializzato al valore preimpostato
  del sistema (\const{MSGMNB}).
\item i campi \var{msg\_first} e \var{msg\_last} che esprimono l'indirizzo del
  primo e ultimo messaggio sono inizializzati a \val{NULL} e
  \var{msg\_cbytes}, che esprime la dimensione in byte dei messaggi presenti è
  inizializzato a zero. Questi campi sono ad uso interno dell'implementazione
  e non devono essere utilizzati da programmi in user space).
\end{itemize*}

Una volta creata una coda di messaggi le operazioni di controllo vengono
effettuate con la funzione di sistema \funcd{msgctl}, che, come le analoghe
\func{semctl} e \func{shmctl}, fa le veci di quello che \func{ioctl} è per i
file; il suo prototipo è:

\begin{funcproto}{
\fhead{sys/types.h}
\fhead{sys/ipc.h}
\fhead{sys/msg.h}
\fdecl{int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid\_ds *buf)}
\fdesc{Esegue una operazione su una coda.} 
}

{La funzione ritorna $0$ in caso di successo e $-1$ per un errore, nel qual
  caso \var{errno} assumerà uno dei valori: 
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EACCES}] si è richiesto \const{IPC\_STAT} ma processo
    chiamante non ha i privilegi di lettura sulla coda.
  \item[\errcode{EIDRM}] la coda richiesta è stata cancellata.
  \item[\errcode{EPERM}] si è richiesto \const{IPC\_SET} o \const{IPC\_RMID} ma
    il processo non ha i privilegi, o si è richiesto di aumentare il valore di
    \var{msg\_qbytes} oltre il limite \const{MSGMNB} senza essere
    amministratore.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT} ed \errval{EINVAL}  nel loro significato
  generico.}
\end{funcproto}


La funzione permette di accedere ai valori della struttura \struct{msqid\_ds},
mantenuta all'indirizzo \param{buf}, per la coda specificata
dall'identificatore \param{msqid}. Il comportamento della funzione dipende dal
valore dell'argomento \param{cmd}, che specifica il tipo di azione da
eseguire; i valori possibili sono:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.2cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\const{IPC\_STAT}] Legge le informazioni riguardo la coda nella
  struttura indicata da \param{buf}. Occorre avere il permesso di lettura
  sulla coda.
\item[\const{IPC\_RMID}] Rimuove la coda, cancellando tutti i dati, con
  effetto immediato. Tutti i processi che cercheranno di accedere alla coda
  riceveranno un errore di \errcode{EIDRM}, e tutti processi in attesa su
  funzioni di lettura o di scrittura sulla coda saranno svegliati ricevendo
  il medesimo errore. Questo comando può essere eseguito solo da un processo
  con \ids{UID} effettivo corrispondente al creatore o al proprietario della
  coda, o all'amministratore.
\item[\const{IPC\_SET}] Permette di modificare i permessi ed il proprietario
  della coda, ed il limite massimo sulle dimensioni del totale dei messaggi in
  essa contenuti (\var{msg\_qbytes}). I valori devono essere passati in una
  struttura \struct{msqid\_ds} puntata da \param{buf}.  Per modificare i valori
  di \var{msg\_perm.mode}, \var{msg\_perm.uid} e \var{msg\_perm.gid} occorre
  essere il proprietario o il creatore della coda, oppure l'amministratore; lo
  stesso vale per \var{msg\_qbytes}, ma l'amministratore ha la facoltà di
  incrementarne il valore a limiti superiori a \const{MSGMNB}.
\end{basedescript}


Una volta che si abbia a disposizione l'identificatore, per inviare un
messaggio su una coda si utilizza la funzione \funcd{msgsnd}; il suo prototipo
è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/msg.h} 
  
  \funcdecl{int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, size\_t msgsz, int
    msgflg)} 

  Invia un messaggio sulla coda \param{msqid}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0, e $-1$ in caso di errore, nel qual caso
    \var{errno} assumerà uno dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EACCES}] non si hanno i privilegi di accesso sulla coda.
  \item[\errcode{EIDRM}] la coda è stata cancellata.
  \item[\errcode{EAGAIN}] il messaggio non può essere inviato perché si è
  superato il limite \var{msg\_qbytes} sul numero massimo di byte presenti
  sulla coda, e si è richiesto \const{IPC\_NOWAIT} in \param{flag}.
  \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un \param{msgid} invalido, o un
    valore non positivo per \param{mtype}, o un valore di \param{msgsz}
    maggiore di \const{MSGMAX}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT}, \errval{EINTR} ed \errval{ENOMEM}.  }
\end{functions}

La funzione inserisce il messaggio sulla coda specificata da \param{msqid}; il
messaggio ha lunghezza specificata da \param{msgsz} ed è passato attraverso il
l'argomento \param{msgp}.  Quest'ultimo deve venire passato sempre come
puntatore ad una struttura \struct{msgbuf} analoga a quella riportata in
fig.~\ref{fig:ipc_msbuf} che è quella che deve contenere effettivamente il
messaggio.  La dimensione massima per il testo di un messaggio non può
comunque superare il limite \const{MSGMAX}.

La struttura di fig.~\ref{fig:ipc_msbuf} è comunque solo un modello, tanto che
la definizione contenuta in \headfile{sys/msg.h} usa esplicitamente per il
secondo campo il valore \code{mtext[1]}, che non è di nessuna utilità ai fini
pratici.  La sola cosa che conta è che la struttura abbia come primo membro un
campo \var{mtype} come nell'esempio; esso infatti serve ad identificare il
tipo di messaggio e deve essere sempre specificato come intero positivo di
tipo \ctyp{long}.  Il campo \var{mtext} invece può essere di qualsiasi tipo e
dimensione, e serve a contenere il testo del messaggio.

In generale pertanto per inviare un messaggio con \func{msgsnd} si usa
ridefinire una struttura simile a quella di fig.~\ref{fig:ipc_msbuf}, adattando
alle proprie esigenze il campo \var{mtype}, (o ridefinendo come si vuole il
corpo del messaggio, anche con più campi o con strutture più complesse) avendo
però la cura di mantenere nel primo campo un valore di tipo \ctyp{long} che ne
indica il tipo.

Si tenga presente che la lunghezza che deve essere indicata in questo
argomento è solo quella del messaggio, non quella di tutta la struttura, se
cioè \var{message} è una propria struttura che si passa alla funzione,
\param{msgsz} dovrà essere uguale a \code{sizeof(message)-sizeof(long)}, (se
consideriamo il caso dell'esempio in fig.~\ref{fig:ipc_msbuf}, \param{msgsz}
dovrà essere pari a \const{LENGTH}).

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/msgbuf.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Schema della struttura \structd{msgbuf}, da utilizzare come
    argomento per inviare/ricevere messaggi.}
  \label{fig:ipc_msbuf}
\end{figure}

Per capire meglio il funzionamento della funzione riprendiamo in
considerazione la struttura della coda illustrata in
fig.~\ref{fig:ipc_mq_schema}. Alla chiamata di \func{msgsnd} il nuovo messaggio
sarà aggiunto in fondo alla lista inserendo una nuova struttura \struct{msg},
il puntatore \var{msg\_last} di \struct{msqid\_ds} verrà aggiornato, come pure
il puntatore al messaggio successivo per quello che era il precedente ultimo
messaggio; il valore di \var{mtype} verrà mantenuto in \var{msg\_type} ed il
valore di \param{msgsz} in \var{msg\_ts}; il testo del messaggio sarà copiato
all'indirizzo specificato da \var{msg\_spot}.

Il valore dell'argomento \param{flag} permette di specificare il comportamento
della funzione. Di norma, quando si specifica un valore nullo, la funzione
ritorna immediatamente a meno che si sia ecceduto il valore di
\var{msg\_qbytes}, o il limite di sistema sul numero di messaggi, nel qual
caso si blocca mandando il processo in stato di \textit{sleep}.  Se si
specifica per \param{flag} il valore \const{IPC\_NOWAIT} la funzione opera in
modalità non bloccante, ed in questi casi ritorna immediatamente con un errore
di \errcode{EAGAIN}.

Se non si specifica \const{IPC\_NOWAIT} la funzione resterà bloccata fintanto
che non si liberano risorse sufficienti per poter inserire nella coda il
messaggio, nel qual caso ritornerà normalmente. La funzione può ritornare, con
una condizione di errore anche in due altri casi: quando la coda viene rimossa
(nel qual caso si ha un errore di \errcode{EIDRM}) o quando la funzione viene
interrotta da un segnale (nel qual caso si ha un errore di \errcode{EINTR}).

Una volta completato con successo l'invio del messaggio sulla coda, la
funzione aggiorna i dati mantenuti in \struct{msqid\_ds}, in particolare
vengono modificati:
\begin{itemize*}
\item Il valore di \var{msg\_lspid}, che viene impostato al \ids{PID} del
  processo chiamante.
\item Il valore di \var{msg\_qnum}, che viene incrementato di uno.
\item Il valore \var{msg\_stime}, che viene impostato al tempo corrente.
\end{itemize*}

La funzione che viene utilizzata per estrarre un messaggio da una coda è
\funcd{msgrcv}; il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/msg.h} 

  \funcdecl{ssize\_t msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, size\_t msgsz,
    long msgtyp, int msgflg)}
  
  Legge un messaggio dalla coda \param{msqid}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte letti in caso di
    successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno
    dei valori:
  \begin{errlist}
  \item[\errcode{EACCES}] non si hanno i privilegi di accesso sulla coda.
  \item[\errcode{EIDRM}] la coda è stata cancellata.
  \item[\errcode{E2BIG}] il testo del messaggio è più lungo di \param{msgsz} e
    non si è specificato \const{MSG\_NOERROR} in \param{msgflg}.
  \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale mentre
    era in attesa di ricevere un messaggio.
  \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un \param{msgid} invalido o un
    valore di \param{msgsz} negativo.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT}.
}
\end{functions}

La funzione legge un messaggio dalla coda specificata, scrivendolo sulla
struttura puntata da \param{msgp}, che dovrà avere un formato analogo a quello
di fig.~\ref{fig:ipc_msbuf}.  Una volta estratto, il messaggio sarà rimosso
dalla coda.  L'argomento \param{msgsz} indica la lunghezza massima del testo
del messaggio (equivalente al valore del parametro \const{LENGTH} nell'esempio
di fig.~\ref{fig:ipc_msbuf}).

Se il testo del messaggio ha lunghezza inferiore a \param{msgsz} esso viene
rimosso dalla coda; in caso contrario, se \param{msgflg} è impostato a
\const{MSG\_NOERROR}, il messaggio viene troncato e la parte in eccesso viene
perduta, altrimenti il messaggio non viene estratto e la funzione ritorna con
un errore di \errcode{E2BIG}.

L'argomento \param{msgtyp} permette di restringere la ricerca ad un
sottoinsieme dei messaggi presenti sulla coda; la ricerca infatti è fatta con
una scansione della struttura mostrata in fig.~\ref{fig:ipc_mq_schema},
restituendo il primo messaggio incontrato che corrisponde ai criteri
specificati (che quindi, visto come i messaggi vengono sempre inseriti dalla
coda, è quello meno recente); in particolare:
\begin{itemize}
\item se \param{msgtyp} è 0 viene estratto il messaggio in cima alla coda, cioè
  quello fra i presenti che è stato inserito per primo. 
\item se \param{msgtyp} è positivo viene estratto il primo messaggio il cui
  tipo (il valore del campo \var{mtype}) corrisponde al valore di
  \param{msgtyp}.
\item se \param{msgtyp} è negativo viene estratto il primo fra i messaggi con
  il valore più basso del tipo, fra tutti quelli il cui tipo ha un valore
  inferiore al valore assoluto di \param{msgtyp}.
\end{itemize}

Il valore di \param{msgflg} permette di controllare il comportamento della
funzione, esso può essere nullo o una maschera binaria composta da uno o più
valori.  Oltre al precedente \const{MSG\_NOERROR}, sono possibili altri due
valori: \const{MSG\_EXCEPT}, che permette, quando \param{msgtyp} è positivo,
di leggere il primo messaggio nella coda con tipo diverso da \param{msgtyp}, e
\const{IPC\_NOWAIT} che causa il ritorno immediato della funzione quando non
ci sono messaggi sulla coda.

Il comportamento usuale della funzione infatti, se non ci sono messaggi
disponibili per la lettura, è di bloccare il processo in stato di
\textit{sleep}. Nel caso però si sia specificato \const{IPC\_NOWAIT} la
funzione ritorna immediatamente con un errore \errcode{ENOMSG}. Altrimenti la
funzione ritorna normalmente non appena viene inserito un messaggio del tipo
desiderato, oppure ritorna con errore qualora la coda sia rimossa (con
\var{errno} impostata a \errcode{EIDRM}) o se il processo viene interrotto da
un segnale (con \var{errno} impostata a \errcode{EINTR}).

Una volta completata con successo l'estrazione del messaggio dalla coda, la
funzione aggiorna i dati mantenuti in \struct{msqid\_ds}, in particolare
vengono modificati:
\begin{itemize*}
\item Il valore di \var{msg\_lrpid}, che viene impostato al \ids{PID} del
  processo chiamante.
\item Il valore di \var{msg\_qnum}, che viene decrementato di uno.
\item Il valore \var{msg\_rtime}, che viene impostato al tempo corrente.
\end{itemize*}

Le code di messaggi presentano il solito problema di tutti gli oggetti del
SysV-IPC; essendo questi permanenti restano nel sistema occupando risorse
anche quando un processo è terminato, al contrario delle \textit{pipe} per le
quali tutte le risorse occupate vengono rilasciate quanto l'ultimo processo
che le utilizzava termina. Questo comporta che in caso di errori si può
saturare il sistema, e che devono comunque essere esplicitamente previste
delle funzioni di rimozione in caso di interruzioni o uscite dal programma
(come vedremo in fig.~\ref{fig:ipc_mq_fortune_server}).

L'altro problema è non facendo uso di file descriptor le tecniche di
\textit{I/O multiplexing} descritte in sez.~\ref{sec:file_multiplexing} non
possono essere utilizzate, e non si ha a disposizione niente di analogo alle
funzioni \func{select} e \func{poll}. Questo rende molto scomodo usare più di
una di queste strutture alla volta; ad esempio non si può scrivere un server
che aspetti un messaggio su più di una coda senza fare ricorso ad una tecnica
di \itindex{polling} \textit{polling} che esegua un ciclo di attesa su
ciascuna di esse.

Come esempio dell'uso delle code di messaggi possiamo riscrivere il nostro
server di \textit{fortunes} usando queste al posto delle \textit{fifo}. In
questo caso useremo una sola coda di messaggi, usando il tipo di messaggio per
comunicare in maniera indipendente con client diversi.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/MQFortuneServer.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del server di \textit{fortunes}
    basato sulle \textit{message queue}.}
  \label{fig:ipc_mq_fortune_server}
\end{figure}

In fig.~\ref{fig:ipc_mq_fortune_server} si è riportato un estratto delle parti
principali del codice del nuovo server (il codice completo è nel file
\file{MQFortuneServer.c} nei sorgenti allegati). Il programma è basato su un
uso accorto della caratteristica di poter associate un ``tipo'' ai messaggi
per permettere una comunicazione indipendente fra il server ed i vari client,
usando il \ids{PID} di questi ultimi come identificativo. Questo è possibile
in quanto, al contrario di una \textit{fifo}, la lettura di una coda di
messaggi può non essere sequenziale, proprio grazie alla classificazione dei
messaggi sulla base del loro tipo.

Il programma, oltre alle solite variabili per il nome del file da cui leggere
le \textit{fortunes} e per il vettore di stringhe che contiene le frasi,
definisce due strutture appositamente per la comunicazione; con
\var{msgbuf\_read} (\texttt{\small 8--11}) vengono passate le richieste mentre
con \var{msgbuf\_write} (\texttt{\small 12--15}) vengono restituite le frasi.

La gestione delle opzioni si è al solito omessa, essa si curerà di impostare
in \var{n} il numero di frasi da leggere specificato a linea di comando ed in
\var{fortunefilename} il file da cui leggerle; dopo aver installato
(\texttt{\small 19--21}) i gestori dei segnali per trattare l'uscita dal
server, viene prima controllato (\texttt{\small 22}) il numero di frasi
richieste abbia senso (cioè sia maggiore di zero), le quali poi
(\texttt{\small 23}) vengono lette nel vettore in memoria con la stessa
funzione \code{FortuneParse} usata anche per il server basato sulle
\textit{fifo}.

Una volta inizializzato il vettore di stringhe coi messaggi presi dal file
delle \textit{fortune} si procede (\texttt{\small 25}) con la generazione di
una chiave per identificare la coda di messaggi (si usa il nome del file dei
sorgenti del server) con la quale poi si esegue (\texttt{\small 26}) la
creazione della stessa (si noti come si sia chiamata \func{msgget} con un
valore opportuno per l'argomento \param{flag}), avendo cura di abortire il
programma (\texttt{\small 27--29}) in caso di errore.

Finita la fase di inizializzazione il server prima (\texttt{\small 32}) chiama
la funzione \func{daemon} per andare in background e poi esegue in permanenza
il ciclo principale (\texttt{\small 33--40}). Questo inizia (\texttt{\small
  34}) con il porsi in attesa di un messaggio di richiesta da parte di un
client; si noti infatti come \func{msgrcv} richieda un messaggio con
\var{mtype} uguale a 1: questo è il valore usato per le richieste dato che
corrisponde al \ids{PID} di \cmd{init}, che non può essere un client. L'uso
del flag \const{MSG\_NOERROR} è solo per sicurezza, dato che i messaggi di
richiesta sono di dimensione fissa (e contengono solo il \ids{PID} del
client).

Se non sono presenti messaggi di richiesta \func{msgrcv} si bloccherà,
ritornando soltanto in corrispondenza dell'arrivo sulla coda di un messaggio
di richiesta da parte di un client, in tal caso il ciclo prosegue
(\texttt{\small 35}) selezionando una frase a caso, copiandola (\texttt{\small
  36}) nella struttura \var{msgbuf\_write} usata per la risposta e
calcolandone (\texttt{\small 37}) la dimensione.

Per poter permettere a ciascun client di ricevere solo la risposta indirizzata
a lui il tipo del messaggio in uscita viene inizializzato (\texttt{\small 38})
al valore del \ids{PID} del client ricevuto nel messaggio di richiesta.
L'ultimo passo del ciclo (\texttt{\small 39}) è inviare sulla coda il
messaggio di risposta. Si tenga conto che se la coda è piena anche questa
funzione potrà bloccarsi fintanto che non venga liberato dello spazio.

Si noti che il programma può terminare solo grazie ad una interruzione da
parte di un segnale; in tal caso verrà eseguito (\texttt{\small 45--48}) il
gestore \code{HandSIGTERM}, che semplicemente si limita a cancellare la coda
(\texttt{\small 46}) ed ad uscire (\texttt{\small 47}).

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/MQFortuneClient.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del client di \textit{fortunes}
    basato sulle \textit{message queue}.}
  \label{fig:ipc_mq_fortune_client}
\end{figure}

In fig.~\ref{fig:ipc_mq_fortune_client} si è riportato un estratto il codice
del programma client.  Al solito il codice completo è con i sorgenti allegati,
nel file \file{MQFortuneClient.c}.  Come sempre si sono rimosse le parti
relative alla gestione delle opzioni, ed in questo caso, anche la
dichiarazione delle variabili, che, per la parte relative alle strutture usate
per la comunicazione tramite le code, sono le stesse viste in
fig.~\ref{fig:ipc_mq_fortune_server}.

Il client in questo caso è molto semplice; la prima parte del programma
(\texttt{\small 4--9}) si occupa di accedere alla coda di messaggi, ed è
identica a quanto visto per il server, solo che in questo caso \func{msgget}
non viene chiamata con il flag di creazione in quanto la coda deve essere
preesistente. In caso di errore (ad esempio se il server non è stato avviato)
il programma termina immediatamente. 

Una volta acquisito l'identificatore della coda il client compone il
messaggio di richiesta (\texttt{\small 12--13}) in \var{msg\_read}, usando 1
per il tipo ed inserendo il proprio \ids{PID} come dato da passare al server.
Calcolata (\texttt{\small 14}) la dimensione, provvede (\texttt{\small 15}) ad
immettere la richiesta sulla coda. 

A questo punto non resta che (\texttt{\small 16}) rileggere dalla coda la
risposta del server richiedendo a \func{msgrcv} di selezionare i messaggi di
tipo corrispondente al valore del \ids{PID} inviato nella richiesta. L'ultimo
passo (\texttt{\small 17}) prima di uscire è quello di stampare a video il
messaggio ricevuto.
 
Proviamo allora il nostro nuovo sistema, al solito occorre definire
\code{LD\_LIBRARY\_PATH} per accedere alla libreria \file{libgapil.so}, dopo di
che, in maniera del tutto analoga a quanto fatto con il programma che usa le
fifo, potremo far partire il server con:
\begin{verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./mqfortuned -n10
\end{verbatim}%$
come nel caso precedente, avendo eseguito il server in background, il comando
ritornerà immediatamente; potremo però verificare con \cmd{ps} che il
programma è effettivamente in esecuzione, e che ha creato una coda di
messaggi:
\begin{verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ipcs

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems     

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x0102dc6a 0          piccardi   666        0            0           
\end{verbatim}
a questo punto potremo usare il client per ottenere le nostre frasi:
\begin{verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./mqfortune
Linux ext2fs has been stable for a long time, now it's time to break it
        -- Linuxkongreß '95 in Berlin
[piccardi@gont sources]$ ./mqfortune
Let's call it an accidental feature.
        --Larry Wall
\end{verbatim}
con un risultato del tutto equivalente al precedente. Infine potremo chiudere
il server inviando il segnale di terminazione con il comando \code{killall
  mqfortuned} verificando che effettivamente la coda di messaggi viene rimossa.

Benché funzionante questa architettura risente dello stesso inconveniente
visto anche nel caso del precedente server basato sulle \textit{fifo}; se il
client viene interrotto dopo l'invio del messaggio di richiesta e prima della
lettura della risposta, quest'ultima resta nella coda (così come per le
\textit{fifo} si aveva il problema delle \textit{fifo} che restavano nel
filesystem). In questo caso però il problemi sono maggiori, sia perché è molto
più facile esaurire la memoria dedicata ad una coda di messaggi che gli
\itindex{inode} inode di un filesystem, sia perché, con il riutilizzo dei
\ids{PID} da parte dei processi, un client eseguito in un momento successivo
potrebbe ricevere un messaggio non indirizzato a lui.



\subsection{Semafori}
\label{sec:ipc_sysv_sem}

I semafori non sono meccanismi di intercomunicazione diretta come quelli
(\textit{pipe}, \textit{fifo} e code di messaggi) visti finora, e non
consentono di scambiare dati fra processi, ma servono piuttosto come
meccanismi di sincronizzazione o di protezione per le \index{sezione~critica}
\textsl{sezioni critiche} del codice (si ricordi quanto detto in
sez.~\ref{sec:proc_race_cond}).

Un semaforo è uno speciale contatore, mantenuto nel kernel, che permette, a
seconda del suo valore, di consentire o meno la prosecuzione dell'esecuzione
di un programma. In questo modo l'accesso ad una risorsa condivisa da più
processi può essere controllato, associando ad essa un semaforo che consente
di assicurare che non più di un processo alla volta possa usarla.

Il concetto di semaforo è uno dei concetti base nella programmazione ed è
assolutamente generico, così come del tutto generali sono modalità con cui lo
si utilizza. Un processo che deve accedere ad una risorsa eseguirà un
controllo del semaforo: se questo è positivo il suo valore sarà decrementato,
indicando che si è consumato una unità della risorsa, ed il processo potrà
proseguire nell'utilizzo di quest'ultima, provvedendo a rilasciarla, una volta
completate le operazioni volute, reincrementando il semaforo.

Se al momento del controllo il valore del semaforo è nullo, siamo invece in
una situazione in cui la risorsa non è disponibile, ed il processo si
bloccherà in stato di \textit{sleep} fin quando chi la sta utilizzando non la
rilascerà, incrementando il valore del semaforo. Non appena il semaforo torna
positivo, indicando che la risorsa è disponibile, il processo sarà svegliato,
e si potrà operare come nel caso precedente (decremento del semaforo, accesso
alla risorsa, incremento del semaforo).

Per poter implementare questo tipo di logica le operazioni di controllo e
decremento del contatore associato al semaforo devono essere atomiche,
pertanto una realizzazione di un oggetto di questo tipo è necessariamente
demandata al kernel. La forma più semplice di semaforo è quella del
\textsl{semaforo binario}, o \textit{mutex}, in cui un valore diverso da zero
(normalmente 1) indica la libertà di accesso, e un valore nullo l'occupazione
della risorsa. In generale però si possono usare semafori con valori interi,
utilizzando il valore del contatore come indicatore del ``numero di risorse''
ancora disponibili.

Il sistema di comunicazione inter-processo di \textit{SysV-IPC} prevede anche i
semafori, ma gli oggetti utilizzati non sono semafori singoli, ma gruppi di
semafori detti \textsl{insiemi} (o \textit{semaphore set}); la funzione che
permette di creare o ottenere l'identificatore di un insieme di semafori è
\funcd{semget}, ed il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/sem.h} 
  
  \funcdecl{int semget(key\_t key, int nsems, int flag)}
  
  Restituisce l'identificatore di un insieme di semafori.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce l'identificatore (un intero positivo) o -1
    in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{ENOSPC}] si è cercato di creare una insieme di semafori
      quando è stato superato o il limite per il numero totale di semafori
      (\const{SEMMNS}) o quello per il numero totale degli insiemi
      (\const{SEMMNI}) nel sistema.
    \item[\errcode{EINVAL}] l'argomento \param{nsems} è minore di zero o
      maggiore del limite sul numero di semafori per ciascun insieme
      (\const{SEMMSL}), o se l'insieme già esiste, maggiore del numero di
      semafori che contiene.
    \item[\errcode{ENOMEM}] il sistema non ha abbastanza memoria per poter
      contenere le strutture per un nuovo insieme di semafori.
    \end{errlist}
    ed inoltre \errval{EACCES}, \errval{ENOENT}, \errval{EEXIST},
    \errval{EIDRM}, con lo stesso significato che hanno per \func{msgget}.}
\end{functions}

La funzione è del tutto analoga a \func{msgget}, solo che in questo caso
restituisce l'identificatore di un insieme di semafori, in particolare è
identico l'uso degli argomenti \param{key} e \param{flag}, per cui non
ripeteremo quanto detto al proposito in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_mq}. L'argomento
\param{nsems} permette di specificare quanti semafori deve contenere l'insieme
quando se ne richieda la creazione, e deve essere nullo quando si effettua una
richiesta dell'identificatore di un insieme già esistente.

Purtroppo questa implementazione complica inutilmente lo schema elementare che
abbiamo descritto, dato che non è possibile definire un singolo semaforo, ma
se ne deve creare per forza un insieme.  Ma questa in definitiva è solo una
complicazione inutile, il problema è che i semafori del \textit{SysV-IPC}
soffrono di altri due, ben più gravi, difetti.

Il primo difetto è che non esiste una funzione che permetta di creare ed
inizializzare un semaforo in un'unica chiamata; occorre prima creare l'insieme
dei semafori con \func{semget} e poi inizializzarlo con \func{semctl}, si
perde così ogni possibilità di eseguire l'operazione atomicamente.

Il secondo difetto deriva dalla caratteristica generale degli oggetti del
\textit{SysV-IPC} di essere risorse globali di sistema, che non vengono
cancellate quando nessuno le usa più; ci si così a trova a dover affrontare
esplicitamente il caso in cui un processo termina per un qualche errore,
lasciando un semaforo occupato, che resterà tale fino al successivo riavvio
del sistema. Come vedremo esistono delle modalità per evitare tutto ciò, ma
diventa necessario indicare esplicitamente che si vuole il ripristino del
semaforo all'uscita del processo.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/semid_ds.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{semid\_ds}, associata a ciascun insieme di
    semafori.}
  \label{fig:ipc_semid_ds}
\end{figure}

A ciascun insieme di semafori è associata una struttura \struct{semid\_ds},
riportata in fig.~\ref{fig:ipc_semid_ds}.\footnote{non si sono riportati i
  campi ad uso interno del kernel, che vedremo in
  fig.~\ref{fig:ipc_sem_schema}, che dipendono dall'implementazione.} Come nel
caso delle code di messaggi quando si crea un nuovo insieme di semafori con
\func{semget} questa struttura viene inizializzata, in particolare il campo
\var{sem\_perm} viene inizializzato come illustrato in
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_access_control} (si ricordi che in questo caso il
permesso di scrittura è in realtà permesso di alterare il semaforo), per
quanto riguarda gli altri campi invece:
\begin{itemize*}
\item il campo \var{sem\_nsems}, che esprime il numero di semafori
  nell'insieme, viene inizializzato al valore di \param{nsems}.
\item il campo \var{sem\_ctime}, che esprime il tempo di creazione
  dell'insieme, viene inizializzato al tempo corrente.
\item il campo \var{sem\_otime}, che esprime il tempo dell'ultima operazione
  effettuata, viene inizializzato a zero.
\end{itemize*}

Ciascun semaforo dell'insieme è realizzato come una struttura di tipo
\struct{sem} che ne contiene i dati essenziali, la sua definizione\footnote{si
  è riportata la definizione originaria del kernel 1.0, che contiene la prima
  realizzazione del \textit{SysV-IPC} in Linux. In realtà questa struttura
  ormai è ridotta ai soli due primi membri, e gli altri vengono calcolati
  dinamicamente. La si è utilizzata a scopo di esempio, perché indica tutti i
  valori associati ad un semaforo, restituiti dalle funzioni di controllo, e
  citati dalle pagine di manuale.} è riportata in fig.~\ref{fig:ipc_sem}.
Questa struttura, non è accessibile in user space, ma i valori in essa
specificati possono essere letti in maniera indiretta, attraverso l'uso delle
funzioni di controllo.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/sem.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{sem}, che contiene i dati di un singolo
    semaforo.} 
  \label{fig:ipc_sem}
\end{figure}

I dati mantenuti nella struttura, ed elencati in fig.~\ref{fig:ipc_sem},
indicano rispettivamente:
\begin{description*}
\item[\var{semval}] il valore numerico del semaforo.
\item[\var{sempid}] il \ids{PID} dell'ultimo processo che ha eseguito una
  operazione sul semaforo.
\item[\var{semncnt}] il numero di processi in attesa che esso venga
  incrementato.
\item[\var{semzcnt}] il numero di processi in attesa che esso si annulli.
\end{description*}

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|r|p{8cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \const{SEMMNI}&          128 & Numero massimo di insiemi di semafori.\\
    \const{SEMMSL}&          250 & Numero massimo di semafori per insieme.\\
    \const{SEMMNS}&\const{SEMMNI}*\const{SEMMSL}& Numero massimo di semafori
                                   nel sistema.\\
    \const{SEMVMX}&        32767 & Massimo valore per un semaforo.\\
    \const{SEMOPM}&           32 & Massimo numero di operazioni per chiamata a
                                   \func{semop}. \\
    \const{SEMMNU}&\const{SEMMNS}& Massimo numero di strutture di ripristino.\\
    \const{SEMUME}&\const{SEMOPM}& Massimo numero di voci di ripristino.\\
    \const{SEMAEM}&\const{SEMVMX}& Valore massimo per l'aggiustamento
                                   all'uscita. \\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori delle costanti associate ai limiti degli insiemi di
    semafori, definite in \file{linux/sem.h}.} 
  \label{tab:ipc_sem_limits}
\end{table}

Come per le code di messaggi anche per gli insiemi di semafori esistono una
serie di limiti, i cui valori sono associati ad altrettante costanti, che si
sono riportate in tab.~\ref{tab:ipc_sem_limits}. Alcuni di questi limiti sono
al solito accessibili e modificabili attraverso \func{sysctl} o scrivendo
direttamente nel file \sysctlfile{kernel/sem}.

La funzione che permette di effettuare le varie operazioni di controllo sui
semafori (fra le quali, come accennato, è impropriamente compresa anche la
loro inizializzazione) è \funcd{semctl}; il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/sem.h} 
  
  \funcdecl{int semctl(int semid, int semnum, int cmd)}
  \funcdecl{int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg)}
  
  Esegue le operazioni di controllo su un semaforo o un insieme di semafori.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce in caso di successo un valore positivo
    quanto usata con tre argomenti ed un valore nullo quando usata con
    quattro. In caso di errore restituisce -1, ed \var{errno} assumerà uno dei
    valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] il processo non ha i privilegi per eseguire
      l'operazione richiesta.
    \item[\errcode{EIDRM}] l'insieme di semafori è stato cancellato.
    \item[\errcode{EPERM}] si è richiesto \const{IPC\_SET} o \const{IPC\_RMID}
      ma il processo non ha privilegi sufficienti ad eseguire l'operazione.
    \item[\errcode{ERANGE}] si è richiesto \const{SETALL} \const{SETVAL} ma il
      valore a cui si vuole impostare il semaforo è minore di zero o maggiore
      di \const{SEMVMX}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT} ed \errval{EINVAL}.
}
\end{functions}

La funzione può avere tre o quattro argomenti, a seconda dell'operazione
specificata con \param{cmd}, ed opera o sull'intero insieme specificato da
\param{semid} o sul singolo semaforo di un insieme, specificato da
\param{semnum}. 

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/semun.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La definizione dei possibili valori di una \direct{union}
    \structd{semun}, usata come quarto argomento della funzione
    \func{semctl}.}
  \label{fig:ipc_semun}
\end{figure}

Qualora la funzione operi con quattro argomenti \param{arg} è un argomento
generico, che conterrà un dato diverso a seconda dell'azione richiesta; per
unificare l'argomento esso deve essere passato come una \struct{semun}, la cui
definizione, con i possibili valori che può assumere, è riportata in
fig.~\ref{fig:ipc_semun}.

Come già accennato sia il comportamento della funzione che il numero di
argomenti con cui deve essere invocata dipendono dal valore dell'argomento
\param{cmd}, che specifica l'azione da intraprendere; i valori validi (che
cioè non causano un errore di \errcode{EINVAL}) per questo argomento sono i
seguenti:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.2cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\const{IPC\_STAT}] Legge i dati dell'insieme di semafori, copiando il
  contenuto della relativa struttura \struct{semid\_ds} all'indirizzo
  specificato con \var{arg.buf}. Occorre avere il permesso di lettura.
  L'argomento \param{semnum} viene ignorato.
\item[\const{IPC\_RMID}] Rimuove l'insieme di semafori e le relative strutture
  dati, con effetto immediato. Tutti i processi che erano stato di
  \textit{sleep} vengono svegliati, ritornando con un errore di
  \errcode{EIDRM}.  L'\ids{UID} effettivo del processo deve corrispondere o al
  creatore o al proprietario dell'insieme, o all'amministratore. L'argomento
  \param{semnum} viene ignorato.
\item[\const{IPC\_SET}] Permette di modificare i permessi ed il proprietario
  dell'insieme. I valori devono essere passati in una struttura
  \struct{semid\_ds} puntata da \param{arg.buf} di cui saranno usati soltanto i
  campi \var{sem\_perm.uid}, \var{sem\_perm.gid} e i nove bit meno
  significativi di \var{sem\_perm.mode}. L'\ids{UID} effettivo del processo deve
  corrispondere o al creatore o al proprietario dell'insieme, o
  all'amministratore.  L'argomento \param{semnum} viene ignorato.
\item[\const{GETALL}] Restituisce il valore corrente di ciascun semaforo
  dell'insieme (corrispondente al campo \var{semval} di \struct{sem}) nel
  vettore indicato da \param{arg.array}. Occorre avere il permesso di lettura.
  L'argomento \param{semnum} viene ignorato.
\item[\const{GETNCNT}] Restituisce come valore di ritorno della funzione il
  numero di processi in attesa che il semaforo \param{semnum} dell'insieme
  \param{semid} venga incrementato (corrispondente al campo \var{semncnt} di
  \struct{sem}); va invocata con tre argomenti.  Occorre avere il permesso di
  lettura.
\item[\const{GETPID}] Restituisce come valore di ritorno della funzione il
  \ids{PID} dell'ultimo processo che ha compiuto una operazione sul semaforo
  \param{semnum} dell'insieme \param{semid} (corrispondente al campo
  \var{sempid} di \struct{sem}); va invocata con tre argomenti.  Occorre avere
  il permesso di lettura.
\item[\const{GETVAL}] Restituisce come valore di ritorno della funzione il il
  valore corrente del semaforo \param{semnum} dell'insieme \param{semid}
  (corrispondente al campo \var{semval} di \struct{sem}); va invocata con tre
  argomenti.  Occorre avere il permesso di lettura.
\item[\const{GETZCNT}] Restituisce come valore di ritorno della funzione il
  numero di processi in attesa che il valore del semaforo \param{semnum}
  dell'insieme \param{semid} diventi nullo (corrispondente al campo
  \var{semncnt} di \struct{sem}); va invocata con tre argomenti.  Occorre avere
  il permesso di lettura.
\item[\const{SETALL}] Inizializza il valore di tutti i semafori dell'insieme,
  aggiornando il campo \var{sem\_ctime} di \struct{semid\_ds}. I valori devono
  essere passati nel vettore indicato da \param{arg.array}.  Si devono avere i
  privilegi di scrittura sul semaforo.  L'argomento \param{semnum} viene
  ignorato.
\item[\const{SETVAL}] Inizializza il semaforo \param{semnum} al valore passato
  dall'argomento \param{arg.val}, aggiornando il campo \var{sem\_ctime} di
  \struct{semid\_ds}.  Si devono avere i privilegi di scrittura sul semaforo.
\end{basedescript}

Quando si imposta il valore di un semaforo (sia che lo si faccia per tutto
l'insieme con \const{SETALL}, che per un solo semaforo con \const{SETVAL}), i
processi in attesa su di esso reagiscono di conseguenza al cambiamento di
valore.  Inoltre la coda delle operazioni di ripristino viene cancellata per
tutti i semafori il cui valore viene modificato.

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|l|}
    \hline
    \textbf{Operazione}  & \textbf{Valore restituito} \\
    \hline
    \hline
    \const{GETNCNT}& Valore di \var{semncnt}.\\
    \const{GETPID} & Valore di \var{sempid}.\\
    \const{GETVAL} & Valore di \var{semval}.\\
    \const{GETZCNT}& Valore di \var{semzcnt}.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori di ritorno della funzione \func{semctl}.} 
  \label{tab:ipc_semctl_returns}
\end{table}

Il valore di ritorno della funzione in caso di successo dipende
dall'operazione richiesta; per tutte le operazioni che richiedono quattro
argomenti esso è sempre nullo, per le altre operazioni, elencate in
tab.~\ref{tab:ipc_semctl_returns} viene invece restituito il valore richiesto,
corrispondente al campo della struttura \struct{sem} indicato nella seconda
colonna della tabella.

Le operazioni ordinarie sui semafori, come l'acquisizione o il rilascio degli
stessi (in sostanza tutte quelle non comprese nell'uso di \func{semctl})
vengono effettuate con la funzione \funcd{semop}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/sem.h} 
  
  \funcdecl{int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)}
  
  Esegue le operazioni ordinarie su un semaforo o un insieme di semafori.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
    errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] il processo non ha i privilegi per eseguire
      l'operazione richiesta.
    \item[\errcode{EIDRM}] l'insieme di semafori è stato cancellato.
    \item[\errcode{ENOMEM}] si è richiesto un \const{SEM\_UNDO} ma il sistema
      non ha le risorse per allocare la struttura di ripristino.
    \item[\errcode{EAGAIN}] un'operazione comporterebbe il blocco del processo,
      ma si è specificato \const{IPC\_NOWAIT} in \var{sem\_flg}.
    \item[\errcode{EINTR}] la funzione, bloccata in attesa dell'esecuzione
      dell'operazione, viene interrotta da un segnale.
    \item[\errcode{E2BIG}] l'argomento \param{nsops} è maggiore del numero
      massimo di operazioni \const{SEMOPM}.
    \item[\errcode{ERANGE}] per alcune operazioni il valore risultante del
      semaforo viene a superare il limite massimo \const{SEMVMX}.
  \end{errlist}
  ed inoltre \errval{EFAULT} ed \errval{EINVAL}.
}
\end{functions}


%TODO manca semtimedop, trattare qui, referenziata in
%sez.~\ref{sec:sig_gen_beha}.

La funzione permette di eseguire operazioni multiple sui singoli semafori di
un insieme. La funzione richiede come primo argomento l'identificatore
\param{semid} dell'insieme su cui si vuole operare. Il numero di operazioni da
effettuare viene specificato con l'argomento \param{nsop}, mentre il loro
contenuto viene passato con un puntatore ad un vettore di strutture
\struct{sembuf} nell'argomento \param{sops}. Le operazioni richieste vengono
effettivamente eseguite se e soltanto se è possibile effettuarle tutte quante.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/sembuf.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{sembuf}, usata per le operazioni sui
    semafori.}
  \label{fig:ipc_sembuf}
\end{figure}

Il contenuto di ciascuna operazione deve essere specificato attraverso una
opportuna struttura \struct{sembuf} (la cui definizione è riportata in
fig.~\ref{fig:ipc_sembuf}) che il programma chiamante deve avere cura di
allocare in un opportuno vettore. La struttura permette di indicare il
semaforo su cui operare, il tipo di operazione, ed un flag di controllo.
Il campo \var{sem\_num} serve per indicare a quale semaforo dell'insieme fa
riferimento l'operazione; si ricordi che i semafori sono numerati come in un
vettore, per cui il primo semaforo corrisponde ad un valore nullo di
\var{sem\_num}.

Il campo \var{sem\_flg} è un flag, mantenuto come maschera binaria, per il
quale possono essere impostati i due valori \const{IPC\_NOWAIT} e
\const{SEM\_UNDO}.  Impostando \const{IPC\_NOWAIT} si fa si che, invece di
bloccarsi (in tutti quei casi in cui l'esecuzione di una operazione richiede
che il processo vada in stato di \textit{sleep}), \func{semop} ritorni
immediatamente con un errore di \errcode{EAGAIN}.  Impostando \const{SEM\_UNDO}
si richiede invece che l'operazione venga registrata in modo che il valore del
semaforo possa essere ripristinato all'uscita del processo.

Infine \var{sem\_op} è il campo che controlla l'operazione che viene eseguita
e determina il comportamento della chiamata a \func{semop}; tre sono i casi
possibili:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}}
\item[\var{sem\_op}$>0$] In questo caso il valore di \var{sem\_op} viene
  aggiunto al valore corrente di \var{semval}. La funzione ritorna
  immediatamente (con un errore di \errcode{ERANGE} qualora si sia superato il
  limite \const{SEMVMX}) ed il processo non viene bloccato in nessun caso.
  Specificando \const{SEM\_UNDO} si aggiorna il contatore per il ripristino
  del valore del semaforo. Al processo chiamante è richiesto il privilegio di
  alterazione (scrittura) sull'insieme di semafori.
  
\item[\var{sem\_op}$=0$] Nel caso \var{semval} sia zero l'esecuzione procede
  immediatamente. Se \var{semval} è diverso da zero il comportamento è
  controllato da \var{sem\_flg}, se è stato impostato \const{IPC\_NOWAIT} la
  funzione ritorna con un errore di \errcode{EAGAIN}, altrimenti viene
  incrementato \var{semzcnt} di uno ed il processo resta in stato di
  \textit{sleep} fintanto che non si ha una delle condizioni seguenti:
  \begin{itemize*}
  \item \var{semval} diventa zero, nel qual caso \var{semzcnt} viene
    decrementato di uno.
  \item l'insieme di semafori viene rimosso, nel qual caso \func{semop} ritorna
    un errore di \errcode{EIDRM}.
  \item il processo chiamante riceve un segnale, nel qual caso \var{semzcnt}
    viene decrementato di uno e \func{semop} ritorna un errore di
    \errcode{EINTR}.
  \end{itemize*}
  Al processo chiamante è richiesto il privilegio di lettura dell'insieme dei
  semafori.
  
\item[\var{sem\_op}$<0$] Nel caso in cui \var{semval} è maggiore o uguale del
  valore assoluto di \var{sem\_op} (se cioè la somma dei due valori resta
  positiva o nulla) i valori vengono sommati e la funzione ritorna
  immediatamente; qualora si sia impostato \const{SEM\_UNDO} viene anche
  aggiornato il contatore per il ripristino del valore del semaforo. In caso
  contrario (quando cioè la somma darebbe luogo ad un valore di \var{semval}
  negativo) se si è impostato \const{IPC\_NOWAIT} la funzione ritorna con un
  errore di \errcode{EAGAIN}, altrimenti viene incrementato di uno
  \var{semncnt} ed il processo resta in stato di \textit{sleep} fintanto che
  non si ha una delle condizioni seguenti:
  \begin{itemize*}
  \item \var{semval} diventa maggiore o uguale del valore assoluto di
    \var{sem\_op}, nel qual caso \var{semncnt} viene decrementato di uno, il
    valore di \var{sem\_op} viene sommato a \var{semval}, e se era stato
    impostato \const{SEM\_UNDO} viene aggiornato il contatore per il
    ripristino del valore del semaforo.
  \item l'insieme di semafori viene rimosso, nel qual caso \func{semop}
    ritorna un errore di \errcode{EIDRM}.
  \item il processo chiamante riceve un segnale, nel qual caso \var{semncnt}
    viene decrementato di uno e \func{semop} ritorna un errore di
    \errcode{EINTR}.
  \end{itemize*}    
  Al processo chiamante è richiesto il privilegio di alterazione (scrittura)
  sull'insieme di semafori.
\end{basedescript}

In caso di successo della funzione viene aggiornato il campo \var{sempid} per
ogni semaforo modificato al valore del \ids{PID} del processo chiamante;
inoltre vengono pure aggiornati al tempo corrente i campi \var{sem\_otime} e
\var{sem\_ctime}.

Dato che, come già accennato in precedenza, in caso di uscita inaspettata i
semafori possono restare occupati, abbiamo visto come \func{semop} permetta di
attivare un meccanismo di ripristino attraverso l'uso del flag
\const{SEM\_UNDO}. Il meccanismo è implementato tramite una apposita struttura
\kstruct{sem\_undo}, associata ad ogni processo per ciascun semaforo che esso
ha modificato; all'uscita i semafori modificati vengono ripristinati, e le
strutture disallocate.  Per mantenere coerente il comportamento queste
strutture non vengono ereditate attraverso una \func{fork} (altrimenti si
avrebbe un doppio ripristino), mentre passano inalterate nell'esecuzione di
una \func{exec} (altrimenti non si avrebbe ripristino).

Tutto questo però ha un problema di fondo. Per capire di cosa si tratta
occorre fare riferimento all'implementazione usata in Linux, che è riportata
in maniera semplificata nello schema di fig.~\ref{fig:ipc_sem_schema}.  Si è
presa come riferimento l'architettura usata fino al kernel 2.2.x che è più
semplice (ed illustrata in dettaglio in \cite{tlk}); nel kernel 2.4.x la
struttura del \textit{SysV-IPC} è stata modificata, ma le definizioni relative
a queste strutture restano per compatibilità.\footnote{in particolare con le
  vecchie versioni delle librerie del C, come le libc5.}

\begin{figure}[!htb]
  \centering \includegraphics[width=13cm]{img/semtruct}
  \caption{Schema della struttura di un insieme di semafori.}
  \label{fig:ipc_sem_schema}
\end{figure}

Alla creazione di un nuovo insieme viene allocata una nuova strutture
\struct{semid\_ds} ed il relativo vettore di strutture \struct{sem}. Quando si
richiede una operazione viene anzitutto verificato che tutte le operazioni
possono avere successo; se una di esse comporta il blocco del processo il
kernel crea una struttura \kstruct{sem\_queue} che viene aggiunta in fondo alla
coda di attesa associata a ciascun insieme di semafori\footnote{che viene
  referenziata tramite i campi \var{sem\_pending} e \var{sem\_pending\_last}
  di \struct{semid\_ds}.}. 

Nella struttura viene memorizzato il riferimento alle operazioni richieste
(nel campo \var{sops}, che è un puntatore ad una struttura \struct{sembuf}) e
al processo corrente (nel campo \var{sleeper}) poi quest'ultimo viene messo
stato di attesa e viene invocato lo \itindex{scheduler} scheduler per passare
all'esecuzione di un altro processo.

Se invece tutte le operazioni possono avere successo queste vengono eseguite
immediatamente, dopo di che il kernel esegue una scansione della coda di
attesa (a partire da \var{sem\_pending}) per verificare se qualcuna delle
operazioni sospese in precedenza può essere eseguita, nel qual caso la
struttura \kstruct{sem\_queue} viene rimossa e lo stato del processo associato
all'operazione (\var{sleeper}) viene riportato a \textit{running}; il tutto
viene ripetuto fin quando non ci sono più operazioni eseguibili o si è
svuotata la coda.  Per gestire il meccanismo del ripristino tutte le volte che
per un'operazione si è specificato il flag \const{SEM\_UNDO} viene mantenuta
per ciascun insieme di semafori una apposita struttura \kstruct{sem\_undo} che
contiene (nel vettore puntato dal campo \var{semadj}) un valore di
aggiustamento per ogni semaforo cui viene sommato l'opposto del valore usato
per l'operazione.

%TODO verificare queste strutture \kstruct{sem\_queue} e \kstruct{sem\_undo}

Queste strutture sono mantenute in due liste,\footnote{rispettivamente
  attraverso i due campi \var{id\_next} e \var{proc\_next}.} una associata
all'insieme di cui fa parte il semaforo, che viene usata per invalidare le
strutture se questo viene cancellato o per azzerarle se si è eseguita una
operazione con \func{semctl}; l'altra associata al processo che ha eseguito
l'operazione;\footnote{attraverso il campo \var{semundo} di
  \kstruct{task\_struct}, come mostrato in \ref{fig:ipc_sem_schema}.} quando un
processo termina, la lista ad esso associata viene scandita e le operazioni
applicate al semaforo.  Siccome un processo può accumulare delle richieste di
ripristino per semafori differenti chiamate attraverso diverse chiamate a
\func{semop}, si pone il problema di come eseguire il ripristino dei semafori
all'uscita del processo, ed in particolare se questo può essere fatto
atomicamente.

Il punto è cosa succede quando una delle operazioni previste per il ripristino
non può essere eseguita immediatamente perché ad esempio il semaforo è
occupato; in tal caso infatti, se si pone il processo in stato di
\textit{sleep} aspettando la disponibilità del semaforo (come faceva
l'implementazione originaria) si perde l'atomicità dell'operazione. La scelta
fatta dal kernel è pertanto quella di effettuare subito le operazioni che non
prevedono un blocco del processo e di ignorare silenziosamente le altre;
questo però comporta il fatto che il ripristino non è comunque garantito in
tutte le occasioni.

Come esempio di uso dell'interfaccia dei semafori vediamo come implementare
con essa dei semplici \textit{mutex} (cioè semafori binari), tutto il codice
in questione, contenuto nel file \file{Mutex.c} allegato ai sorgenti, è
riportato in fig.~\ref{fig:ipc_mutex_create}. Utilizzeremo l'interfaccia per
creare un insieme contenente un singolo semaforo, per il quale poi useremo un
valore unitario per segnalare la disponibilità della risorsa, ed un valore
nullo per segnalarne l'indisponibilità. 

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/Mutex.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Il codice delle funzioni che permettono di creare o recuperare
    l'identificatore di un semaforo da utilizzare come \textit{mutex}.}
  \label{fig:ipc_mutex_create}
\end{figure}

La prima funzione (\texttt{\small 2--15}) è \func{MutexCreate} che data una
chiave crea il semaforo usato per il mutex e lo inizializza, restituendone
l'identificatore. Il primo passo (\texttt{\small 6}) è chiamare \func{semget}
con \const{IPC\_CREATE} per creare il semaforo qualora non esista,
assegnandogli i privilegi di lettura e scrittura per tutti. In caso di errore
(\texttt{\small 7--9}) si ritorna subito il risultato di \func{semget},
altrimenti (\texttt{\small 10}) si inizializza il semaforo chiamando
\func{semctl} con il comando \const{SETVAL}, utilizzando l'unione
\struct{semunion} dichiarata ed avvalorata in precedenza (\texttt{\small 4})
ad 1 per significare che risorsa è libera. In caso di errore (\texttt{\small
  11--13}) si restituisce il valore di ritorno di \func{semctl}, altrimenti
(\texttt{\small 14}) si ritorna l'identificatore del semaforo.

La seconda funzione (\texttt{\small 17--20}) è \func{MutexFind}, che, data una
chiave, restituisce l'identificatore del semaforo ad essa associato. La
comprensione del suo funzionamento è immediata in quanto essa è soltanto un
\textit{wrapper}\footnote{si chiama così una funzione usata per fare da
  \textsl{involucro} alla chiamata di un altra, usata in genere per
  semplificare un'interfaccia (come in questo caso) o per utilizzare con la
  stessa funzione diversi substrati (librerie, ecc.)  che possono fornire le
  stesse funzionalità.} di una chiamata a \func{semget} per cercare
l'identificatore associato alla chiave, il valore di ritorno di quest'ultima
viene passato all'indietro al chiamante.

La terza funzione (\texttt{\small 22--25}) è \func{MutexRead} che, dato un
identificatore, restituisce il valore del semaforo associato al mutex. Anche
in questo caso la funzione è un \textit{wrapper} per una chiamata a
\func{semctl} con il comando \const{GETVAL}, che permette di restituire il
valore del semaforo.

La quarta e la quinta funzione (\texttt{\small 36--44}) sono \func{MutexLock},
e \func{MutexUnlock}, che permettono rispettivamente di bloccare e sbloccare
il mutex. Entrambe fanno da wrapper per \func{semop}, utilizzando le due
strutture \var{sem\_lock} e \var{sem\_unlock} definite in precedenza
(\texttt{\small 27--34}). Si noti come per queste ultime si sia fatto uso
dell'opzione \const{SEM\_UNDO} per evitare che il semaforo resti bloccato in
caso di terminazione imprevista del processo.

L'ultima funzione (\texttt{\small 46--49}) della serie, è \func{MutexRemove},
che rimuove il mutex. Anche in questo caso si ha un wrapper per una chiamata a
\func{semctl} con il comando \const{IPC\_RMID}, che permette di cancellare il
semaforo; il valore di ritorno di quest'ultima viene passato all'indietro.

Chiamare \func{MutexLock} decrementa il valore del semaforo: se questo è
libero (ha già valore 1) sarà bloccato (valore nullo), se è bloccato la
chiamata a \func{semop} si bloccherà fintanto che la risorsa non venga
rilasciata. Chiamando \func{MutexUnlock} il valore del semaforo sarà
incrementato di uno, sbloccandolo qualora fosse bloccato.  

Si noti che occorre eseguire sempre prima \func{MutexLock} e poi
\func{MutexUnlock}, perché se per un qualche errore si esegue più volte
quest'ultima il valore del semaforo crescerebbe oltre 1, e \func{MutexLock}
non avrebbe più l'effetto aspettato (bloccare la risorsa quando questa è
considerata libera).  Infine si tenga presente che usare \func{MutexRead} per
controllare il valore dei mutex prima di proseguire in una operazione di
sblocco non servirebbe comunque, dato che l'operazione non sarebbe atomica.
Vedremo in sez.~\ref{sec:ipc_lock_file} come sia possibile ottenere
un'interfaccia analoga a quella appena illustrata, senza incorrere in questi
problemi, usando il \itindex{file~locking} \textit{file locking}.


\subsection{Memoria condivisa}
\label{sec:ipc_sysv_shm}

Il terzo oggetto introdotto dal \textit{SysV-IPC} è quello dei segmenti di
memoria condivisa. La funzione che permette di ottenerne uno è \funcd{shmget},
ed il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/shm.h}
  
  \funcdecl{int shmget(key\_t key, int size, int flag)}
  
  Restituisce l'identificatore di una memoria condivisa.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce l'identificatore (un intero positivo) o -1
    in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{ENOSPC}] si è superato il limite (\const{SHMMNI}) sul numero
      di segmenti di memoria nel sistema, o cercato di allocare un segmento le
      cui dimensioni fanno superare il limite di sistema (\const{SHMALL}) per
      la memoria ad essi riservata.
    \item[\errcode{EINVAL}] si è richiesta una dimensione per un nuovo segmento
      maggiore di \const{SHMMAX} o minore di \const{SHMMIN}, o se il segmento
      già esiste \param{size} è maggiore delle sue dimensioni.
    \item[\errcode{ENOMEM}] il sistema non ha abbastanza memoria per poter
      contenere le strutture per un nuovo segmento di memoria condivisa.
    \end{errlist}
    ed inoltre \errval{EACCES}, \errval{ENOENT}, \errval{EEXIST},
    \errval{EIDRM}, con lo stesso significato che hanno per \func{msgget}.}
\end{functions}

La funzione, come \func{semget}, è del tutto analoga a \func{msgget}, ed
identico è l'uso degli argomenti \param{key} e \param{flag} per cui non
ripeteremo quanto detto al proposito in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_mq}. L'argomento
\param{size} specifica invece la dimensione, in byte, del segmento, che viene
comunque arrotondata al multiplo superiore di \const{PAGE\_SIZE}.

% TODO aggiungere l'uso di SHM_HUGETLB introdotto con il kernel 2.6.0

La memoria condivisa è la forma più veloce di comunicazione fra due processi,
in quanto permette agli stessi di vedere nel loro spazio di indirizzi una
stessa sezione di memoria.  Pertanto non è necessaria nessuna operazione di
copia per trasmettere i dati da un processo all'altro, in quanto ciascuno può
accedervi direttamente con le normali operazioni di lettura e scrittura dei
dati in memoria.

Ovviamente tutto questo ha un prezzo, ed il problema fondamentale della
memoria condivisa è la sincronizzazione degli accessi. È evidente infatti che
se un processo deve scambiare dei dati con un altro, si deve essere sicuri che
quest'ultimo non acceda al segmento di memoria condivisa prima che il primo
non abbia completato le operazioni di scrittura, inoltre nel corso di una
lettura si deve essere sicuri che i dati restano coerenti e non vengono
sovrascritti da un accesso in scrittura sullo stesso segmento da parte di un
altro processo. Per questo in genere la memoria condivisa viene sempre
utilizzata in abbinamento ad un meccanismo di sincronizzazione, il che, di
norma, significa insieme a dei semafori.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/shmid_ds.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{La struttura \structd{shmid\_ds}, associata a ciascun segmento di
    memoria condivisa.}
  \label{fig:ipc_shmid_ds}
\end{figure}

A ciascun segmento di memoria condivisa è associata una struttura
\struct{shmid\_ds}, riportata in fig.~\ref{fig:ipc_shmid_ds}.  Come nel caso
delle code di messaggi quando si crea un nuovo segmento di memoria condivisa
con \func{shmget} questa struttura viene inizializzata, in particolare il
campo \var{shm\_perm} viene inizializzato come illustrato in
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_access_control}, e valgono le considerazioni ivi fatte
relativamente ai permessi di accesso; per quanto riguarda gli altri campi
invece:
\begin{itemize}
\item il campo \var{shm\_segsz}, che esprime la dimensione del segmento, viene
  inizializzato al valore di \param{size}.
\item il campo \var{shm\_ctime}, che esprime il tempo di creazione del
  segmento, viene inizializzato al tempo corrente.
\item i campi \var{shm\_atime} e \var{shm\_dtime}, che esprimono
  rispettivamente il tempo dell'ultima volta che il segmento è stato
  agganciato o sganciato da un processo, vengono inizializzati a zero.
\item il campo \var{shm\_lpid}, che esprime il \ids{PID} del processo che ha
  eseguito l'ultima operazione, viene inizializzato a zero.
\item il campo \var{shm\_cpid}, che esprime il \ids{PID} del processo che ha
  creato il segmento, viene inizializzato al \ids{PID} del processo chiamante.
\item il campo \var{shm\_nattac}, che esprime il numero di processi agganciati
  al segmento viene inizializzato a zero.
\end{itemize}

Come per le code di messaggi e gli insiemi di semafori, anche per i segmenti
di memoria condivisa esistono una serie di limiti imposti dal sistema.  Alcuni
di questi limiti sono al solito accessibili e modificabili attraverso
\func{sysctl} o scrivendo direttamente nei rispettivi file di
\file{/proc/sys/kernel/}. 

In tab.~\ref{tab:ipc_shm_limits} si sono riportate le
costanti simboliche associate a ciascuno di essi, il loro significato, i
valori preimpostati, e, quando presente, il file in \file{/proc/sys/kernel/}
che permettono di cambiarne il valore. 


\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|r|c|p{7cm}|}
    \hline
    \textbf{Costante} & \textbf{Valore} & \textbf{File in \texttt{proc}}
    & \textbf{Significato} \\
    \hline
    \hline
    \const{SHMALL}& 0x200000&\sysctlrelfile{kernel}{shmall}
                            & Numero massimo di pagine che 
                              possono essere usate per i segmenti di
                              memoria condivisa.\\
    \const{SHMMAX}&0x2000000&\sysctlrelfile{kernel}{shmmax} 
                            & Dimensione massima di un segmento di memoria
                              condivisa.\\ 
    \const{SHMMNI}&     4096&\sysctlrelfile{kernel}{msgmni}
                            & Numero massimo di segmenti di memoria condivisa
                              presenti nel kernel.\\ 
    \const{SHMMIN}&        1& ---         & Dimensione minima di un segmento di
                                            memoria condivisa.\\
    \const{SHMLBA}&\const{PAGE\_SIZE}&--- & Limite inferiore per le dimensioni
                                            minime di un segmento (deve essere
                                            allineato alle dimensioni di una
                                            pagina di memoria).\\
    \const{SHMSEG}&   ---   &     ---     & Numero massimo di segmenti di
                                            memoria condivisa per ciascun
                                            processo.\\


    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Valori delle costanti associate ai limiti dei segmenti di memoria
    condivisa, insieme al relativo file in \file{/proc/sys/kernel/} ed al
    valore preimpostato presente nel sistema.} 
  \label{tab:ipc_shm_limits}
\end{table}

Al solito la funzione che permette di effettuare le operazioni di controllo su
un segmento di memoria condivisa è \funcd{shmctl}; il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/ipc.h} 
  \headdecl{sys/shm.h}
  
  \funcdecl{int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid\_ds *buf)}
  
  Esegue le operazioni di controllo su un segmento di memoria condivisa.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
    errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] si è richiesto \const{IPC\_STAT} ma i permessi non
      consentono l'accesso in lettura al segmento.
    \item[\errcode{EINVAL}] o \param{shmid} non è un identificatore valido o
      \param{cmd} non è un comando valido.
    \item[\errcode{EIDRM}] l'argomento \param{shmid} fa riferimento ad un
      segmento che è stato cancellato.
    \item[\errcode{EPERM}] si è specificato un comando con \const{IPC\_SET} o
      \const{IPC\_RMID} senza i permessi necessari.
    \item[\errcode{EOVERFLOW}] si è tentato il comando \const{IPC\_STAT} ma il
      valore del \ids{GID} o dell'\ids{UID} è troppo grande per essere
      memorizzato nella struttura puntata da \param{buf}.
    \item[\errcode{EFAULT}] l'indirizzo specificato con \param{buf} non è
      valido.
    \end{errlist}
}
\end{functions}

Il comando specificato attraverso l'argomento \param{cmd} determina i diversi
effetti della funzione; i possibili valori che esso può assumere, ed il
corrispondente comportamento della funzione, sono i seguenti:

\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.2cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\const{IPC\_STAT}] Legge le informazioni riguardo il segmento di memoria
  condivisa nella struttura \struct{shmid\_ds} puntata da \param{buf}. Occorre
  che il processo chiamante abbia il permesso di lettura sulla segmento.
\item[\const{IPC\_RMID}] Marca il segmento di memoria condivisa per la
  rimozione, questo verrà cancellato effettivamente solo quando l'ultimo
  processo ad esso agganciato si sarà staccato. Questo comando può essere
  eseguito solo da un processo con \ids{UID} effettivo corrispondente o al
  creatore del segmento, o al proprietario del segmento, o all'amministratore.
\item[\const{IPC\_SET}] Permette di modificare i permessi ed il proprietario
  del segmento.  Per modificare i valori di \var{shm\_perm.mode},
  \var{shm\_perm.uid} e \var{shm\_perm.gid} occorre essere il proprietario o
  il creatore del segmento, oppure l'amministratore. Compiuta l'operazione
  aggiorna anche il valore del campo \var{shm\_ctime}.
\item[\const{SHM\_LOCK}] Abilita il \itindex{memory~locking} \textit{memory
    locking}\footnote{impedisce cioè che la memoria usata per il segmento
    venga salvata su disco dal meccanismo della \index{memoria~virtuale}
    memoria virtuale; si ricordi quanto trattato in
    sez.~\ref{sec:proc_mem_lock}.} sul segmento di memoria condivisa. Solo
  l'amministratore può utilizzare questo comando.
\item[\const{SHM\_UNLOCK}] Disabilita il \itindex{memory~locking}
  \textit{memory locking} sul segmento di memoria condivisa.  Solo
  l'amministratore può utilizzare questo comando.
\end{basedescript}
i primi tre comandi sono gli stessi già visti anche per le code di messaggi e
gli insiemi di semafori, gli ultimi due sono delle estensioni specifiche
previste da Linux, che permettono di abilitare e disabilitare il meccanismo
della \index{memoria~virtuale} memoria virtuale per il segmento.

L'argomento \param{buf} viene utilizzato solo con i comandi \const{IPC\_STAT}
e \const{IPC\_SET} nel qual caso esso dovrà puntare ad una struttura
\struct{shmid\_ds} precedentemente allocata, in cui nel primo caso saranno
scritti i dati del segmento di memoria restituiti dalla funzione e da cui, nel
secondo caso, verranno letti i dati da impostare sul segmento.

Una volta che lo si è creato, per utilizzare un segmento di memoria condivisa
l'interfaccia prevede due funzioni, \funcd{shmat} e \func{shmdt}. La prima di
queste serve ad agganciare un segmento al processo chiamante, in modo che
quest'ultimo possa inserirlo nel suo spazio di indirizzi per potervi accedere;
il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/shm.h}
  
  \funcdecl{void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)}
  Aggancia al processo un segmento di memoria condivisa.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce l'indirizzo del segmento in caso di
    successo, e -1 in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i
    valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] il processo non ha i privilegi per accedere al
      segmento nella modalità richiesta.
    \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un identificatore invalido per
      \param{shmid}, o un indirizzo non allineato sul confine di una pagina
      per \param{shmaddr}.
    \end{errlist}
    ed inoltre \errval{ENOMEM}.}
\end{functions}

La funzione inserisce un segmento di memoria condivisa all'interno dello
spazio di indirizzi del processo, in modo che questo possa accedervi
direttamente, la situazione dopo l'esecuzione di \func{shmat} è illustrata in
fig.~\ref{fig:ipc_shmem_layout} (per la comprensione del resto dello schema si
ricordi quanto illustrato al proposito in sez.~\ref{sec:proc_mem_layout}). In
particolare l'indirizzo finale del segmento dati (quello impostato da
\func{brk}, vedi sez.~\ref{sec:proc_mem_alloc}) non viene influenzato.
Si tenga presente infine che la funzione ha successo anche se il segmento è
stato marcato per la cancellazione.

\begin{figure}[!htb]
  \centering \includegraphics[height=10cm]{img/sh_memory_layout}
  \caption{Disposizione dei segmenti di memoria di un processo quando si è
    agganciato un segmento di memoria condivisa.}
  \label{fig:ipc_shmem_layout}
\end{figure}

L'argomento \param{shmaddr} specifica a quale indirizzo\footnote{lo standard
  SVID prevede che l'argomento \param{shmaddr} sia di tipo \ctyp{char *}, così
  come il valore di ritorno della funzione; in Linux è stato così con le
  \acr{libc4} e le \acr{libc5}, con il passaggio alla \acr{glibc} il tipo di
  \param{shmaddr} è divenuto un \ctyp{const void *} e quello del valore di
  ritorno un \ctyp{void *}.} deve essere associato il segmento, se il valore
specificato è \val{NULL} è il sistema a scegliere opportunamente un'area di
memoria libera (questo è il modo più portabile e sicuro di usare la funzione).
Altrimenti il kernel aggancia il segmento all'indirizzo specificato da
\param{shmaddr}; questo però può avvenire solo se l'indirizzo coincide con il
limite di una pagina, cioè se è un multiplo esatto del parametro di sistema
\const{SHMLBA}, che in Linux è sempre uguale \const{PAGE\_SIZE}. 

Si tenga presente però che quando si usa \val{NULL} come valore di
\param{shmaddr}, l'indirizzo restituito da \func{shmat} può cambiare da
processo a processo; pertanto se nell'area di memoria condivisa si salvano
anche degli indirizzi, si deve avere cura di usare valori relativi (in genere
riferiti all'indirizzo di partenza del segmento).

L'argomento \param{shmflg} permette di cambiare il comportamento della
funzione; esso va specificato come maschera binaria, i bit utilizzati sono
solo due e sono identificati dalle costanti \const{SHM\_RND} e
\const{SHM\_RDONLY}, che vanno combinate con un OR aritmetico.  Specificando
\const{SHM\_RND} si evita che \func{shmat} ritorni un errore quando
\param{shmaddr} non è allineato ai confini di una pagina. Si può quindi usare
un valore qualunque per \param{shmaddr}, e il segmento verrà comunque
agganciato, ma al più vicino multiplo di \const{SHMLBA} (il nome della
costante sta infatti per \textit{rounded}, e serve per specificare un
indirizzo come arrotondamento, in Linux è equivalente a \const{PAGE\_SIZE}).

L'uso di \const{SHM\_RDONLY} permette di agganciare il segmento in sola
lettura (si ricordi che anche le pagine di memoria hanno dei permessi), in tal
caso un tentativo di scrivere sul segmento comporterà una
\itindex{segment~violation} violazione di accesso con l'emissione di un
segnale di \signal{SIGSEGV}. Il comportamento usuale di \func{shmat} è quello
di agganciare il segmento con l'accesso in lettura e scrittura (ed il processo
deve aver questi permessi in \var{shm\_perm}), non è prevista la possibilità
di agganciare un segmento in sola scrittura.

In caso di successo la funzione aggiorna anche i seguenti campi di
\struct{shmid\_ds}:
\begin{itemize*}
\item il tempo \var{shm\_atime} dell'ultima operazione di aggancio viene
  impostato al tempo corrente.
\item il \ids{PID} \var{shm\_lpid} dell'ultimo processo che ha operato sul
  segmento viene impostato a quello del processo corrente.
\item il numero \var{shm\_nattch} di processi agganciati al segmento viene
  aumentato di uno.
\end{itemize*} 

Come accennato in sez.~\ref{sec:proc_fork} un segmento di memoria condivisa
agganciato ad un processo viene ereditato da un figlio attraverso una
\func{fork}, dato che quest'ultimo riceve una copia dello spazio degli
indirizzi del padre. Invece, dato che attraverso una \func{exec} viene
eseguito un diverso programma con uno spazio di indirizzi completamente
diverso, tutti i segmenti agganciati al processo originario vengono
automaticamente sganciati. Lo stesso avviene all'uscita del processo
attraverso una \func{exit}.

Una volta che un segmento di memoria condivisa non serve più, si può
sganciarlo esplicitamente dal processo usando l'altra funzione
dell'interfaccia, \funcd{shmdt}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{sys/shm.h}

  \funcdecl{int shmdt(const void *shmaddr)}
  Sgancia dal processo un segmento di memoria condivisa.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo, e -1 in caso di
    errore, la funzione fallisce solo quando non c'è un segmento agganciato
    all'indirizzo \param{shmaddr}, con \var{errno} che assume il valore
    \errval{EINVAL}.}
\end{functions}

La funzione sgancia dallo spazio degli indirizzi del processo un segmento di
memoria condivisa; questo viene identificato con l'indirizzo \param{shmaddr}
restituito dalla precedente chiamata a \func{shmat} con il quale era stato
agganciato al processo.

In caso di successo la funzione aggiorna anche i seguenti campi di
\struct{shmid\_ds}:
\begin{itemize*}
\item il tempo \var{shm\_dtime} dell'ultima operazione di sganciamento viene
  impostato al tempo corrente.
\item il \ids{PID} \var{shm\_lpid} dell'ultimo processo che ha operato sul
  segmento viene impostato a quello del processo corrente.
\item il numero \var{shm\_nattch} di processi agganciati al segmento viene
  decrementato di uno.
\end{itemize*} 
inoltre la regione di indirizzi usata per il segmento di memoria condivisa
viene tolta dallo spazio di indirizzi del processo.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/SharedMem.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Il codice delle funzioni che permettono di creare, trovare e
    rimuovere un segmento di memoria condivisa.}
  \label{fig:ipc_sysv_shm_func}
\end{figure}

Come esempio di uso di queste funzioni vediamo come implementare una serie di
funzioni di libreria che ne semplifichino l'uso, automatizzando le operazioni
più comuni; il codice, contenuto nel file \file{SharedMem.c}, è riportato in
fig.~\ref{fig:ipc_sysv_shm_func}.

La prima funzione (\texttt{\small 3--16}) è \func{ShmCreate} che, data una
chiave, crea il segmento di memoria condivisa restituendo il puntatore allo
stesso. La funzione comincia (\texttt{\small 6}) con il chiamare
\func{shmget}, usando il flag \const{IPC\_CREATE} per creare il segmento
qualora non esista, ed assegnandogli i privilegi specificati dall'argomento
\var{perm} e la dimensione specificata dall'argomento \var{shm\_size}.  In
caso di errore (\texttt{\small 7--9}) si ritorna immediatamente un puntatore
nullo, altrimenti (\texttt{\small 10}) si prosegue agganciando il segmento di
memoria condivisa al processo con \func{shmat}. In caso di errore
(\texttt{\small 11--13}) si restituisce di nuovo un puntatore nullo, infine
(\texttt{\small 14}) si inizializza con \func{memset} il contenuto del
segmento al valore costante specificato dall'argomento \var{fill}, e poi si
ritorna il puntatore al segmento stesso.

La seconda funzione (\texttt{\small 17--31}) è \func{ShmFind}, che, data una
chiave, restituisce l'indirizzo del segmento ad essa associato. Anzitutto
(\texttt{\small 22}) si richiede l'identificatore del segmento con
\func{shmget}, ritornando (\texttt{\small 23--25}) un puntatore nullo in caso
di errore. Poi si prosegue (\texttt{\small 26}) agganciando il segmento al
processo con \func{shmat}, restituendo (\texttt{\small 27--29}) di nuovo un
puntatore nullo in caso di errore, se invece non ci sono errori si restituisce
il puntatore ottenuto da \func{shmat}.

La terza funzione (\texttt{\small 32--51}) è \func{ShmRemove} che, data la
chiave ed il puntatore associati al segmento di memoria condivisa, prima lo
sgancia dal processo e poi lo rimuove. Il primo passo (\texttt{\small 37}) è
la chiamata a \func{shmdt} per sganciare il segmento, restituendo
(\texttt{\small 38--39}) un valore -1 in caso di errore. Il passo successivo
(\texttt{\small 41}) è utilizzare \func{shmget} per ottenere l'identificatore
associato al segmento data la chiave \var{key}. Al solito si restituisce un
valore di -1 (\texttt{\small 42--45}) in caso di errore, mentre se tutto va
bene si conclude restituendo un valore nullo.

Benché la memoria condivisa costituisca il meccanismo di intercomunicazione
fra processi più veloce, essa non è sempre il più appropriato, dato che, come
abbiamo visto, si avrà comunque la necessità di una sincronizzazione degli
accessi.  Per questo motivo, quando la comunicazione fra processi è
sequenziale, altri meccanismi come le \textit{pipe}, le \textit{fifo} o i
socket, che non necessitano di sincronizzazione esplicita, sono da
preferire. Essa diventa l'unico meccanismo possibile quando la comunicazione
non è sequenziale\footnote{come accennato in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_mq} per la
  comunicazione non sequenziale si possono usare le code di messaggi,
  attraverso l'uso del campo \var{mtype}, ma solo se quest'ultima può essere
  effettuata in forma di messaggio.} o quando non può avvenire secondo una
modalità predefinita.

Un esempio classico di uso della memoria condivisa è quello del
``\textit{monitor}'', in cui viene per scambiare informazioni fra un processo
server, che vi scrive dei dati di interesse generale che ha ottenuto, e i
processi client interessati agli stessi dati che così possono leggerli in
maniera completamente asincrona.  Con questo schema di funzionamento da una
parte si evita che ciascun processo client debba compiere l'operazione,
potenzialmente onerosa, di ricavare e trattare i dati, e dall'altra si evita
al processo server di dover gestire l'invio a tutti i client di tutti i dati
(non potendo il server sapere quali di essi servono effettivamente al singolo
client).

Nel nostro caso implementeremo un ``\textsl{monitor}'' di una directory: un
processo si incaricherà di tenere sotto controllo alcuni parametri relativi ad
una directory (il numero dei file contenuti, la dimensione totale, quante
directory, link simbolici, file normali, ecc.) che saranno salvati in un
segmento di memoria condivisa cui altri processi potranno accedere per
ricavare la parte di informazione che interessa.

In fig.~\ref{fig:ipc_dirmonitor_main} si è riportata la sezione principale del
corpo del programma server, insieme alle definizioni delle altre funzioni
usate nel programma e delle \index{variabili!globali} variabili globali,
omettendo tutto quello che riguarda la gestione delle opzioni e la stampa
delle istruzioni di uso a video; al solito il codice completo si trova con i
sorgenti allegati nel file \file{DirMonitor.c}.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/DirMonitor.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Codice della funzione principale del programma \file{DirMonitor.c}.}
  \label{fig:ipc_dirmonitor_main}
\end{figure}

Il programma usa delle \index{variabili!globali} variabili globali
(\texttt{\small 2--14}) per mantenere i valori relativi agli oggetti usati per
la comunicazione inter-processo; si è definita inoltre una apposita struttura
\struct{DirProp} che contiene i dati relativi alle proprietà che si vogliono
mantenere nella memoria condivisa, per l'accesso da parte dei client.

Il programma, dopo la sezione, omessa, relativa alla gestione delle opzioni da
riga di comando (che si limitano alla eventuale stampa di un messaggio di
aiuto a video ed all'impostazione della durata dell'intervallo con cui viene
ripetuto il calcolo delle proprietà della directory) controlla (\texttt{\small
  20--23}) che sia stato specificato l'argomento necessario contenente il nome
della directory da tenere sotto controllo, senza il quale esce immediatamente
con un messaggio di errore.

Poi, per verificare che l'argomento specifichi effettivamente una directory,
si esegue (\texttt{\small 24--26}) su di esso una \func{chdir}, uscendo
immediatamente in caso di errore.  Questa funzione serve anche per impostare
la \index{directory~di~lavoro} directory di lavoro del programma nella
directory da tenere sotto controllo, in vista del successivo uso della
funzione \func{daemon}.\footnote{si noti come si è potuta fare questa scelta,
  nonostante le indicazioni illustrate in sez.~\ref{sec:sess_daemon}, per il
  particolare scopo del programma, che necessita comunque di restare
  all'interno di una directory.} Infine (\texttt{\small 27--29}) si installano
i gestori per i vari segnali di terminazione che, avendo a che fare con un
programma che deve essere eseguito come server, sono il solo strumento
disponibile per concluderne l'esecuzione.

Il passo successivo (\texttt{\small 30--39}) è quello di creare gli oggetti di
intercomunicazione necessari. Si inizia costruendo (\texttt{\small 30}) la
chiave da usare come riferimento con il nome del programma,\footnote{si è
  usato un riferimento relativo alla home dell'utente, supposto che i sorgenti
  di GaPiL siano stati installati direttamente in essa. Qualora si effettui
  una installazione diversa si dovrà correggere il programma.} dopo di che si
richiede (\texttt{\small 31}) la creazione di un segmento di memoria condivisa
con usando la funzione \func{ShmCreate} illustrata in precedenza (una pagina
di memoria è sufficiente per i dati che useremo), uscendo (\texttt{\small
  32--35}) qualora la creazione ed il successivo agganciamento al processo non
abbia successo. Con l'indirizzo \var{shmptr} così ottenuto potremo poi
accedere alla memoria condivisa, che, per come abbiamo lo abbiamo definito,
sarà vista nella forma data da \struct{DirProp}. Infine (\texttt{\small
  36--39}) utilizzando sempre la stessa chiave, si crea, tramite le funzioni
di interfaccia già descritte in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_sem}, anche un mutex,
che utilizzeremo per regolare l'accesso alla memoria condivisa.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/ComputeValues.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Codice delle funzioni ausiliarie usate da \file{DirMonitor.c}.}
  \label{fig:ipc_dirmonitor_sub}
\end{figure}

Completata l'inizializzazione e la creazione degli oggetti di
intercomunicazione il programma entra nel ciclo principale (\texttt{\small
  40--49}) dove vengono eseguite indefinitamente le attività di monitoraggio.
Il primo passo (\texttt{\small 41}) è eseguire \func{daemon} per proseguire
con l'esecuzione in background come si conviene ad un programma demone; si
noti che si è mantenuta, usando un valore non nullo del primo argomento, la
\index{directory~di~lavoro} directory di lavoro corrente.  Una volta che il
programma è andato in background l'esecuzione prosegue (\texttt{\small
  42--48}) all'interno di un ciclo infinito: si inizia (\texttt{\small 43})
bloccando il mutex con \func{MutexLock} per poter accedere alla memoria
condivisa (la funzione si bloccherà automaticamente se qualche client sta
leggendo), poi (\texttt{\small 44}) si cancellano i valori precedentemente
immagazzinati nella memoria condivisa con \func{memset}, e si esegue
(\texttt{\small 45}) un nuovo calcolo degli stessi utilizzando la funzione
\myfunc{dir\_scan}; infine (\texttt{\small 46}) si sblocca il mutex con
\func{MutexUnlock}, e si attende (\texttt{\small 47}) per il periodo di tempo
specificato a riga di comando con l'opzione \code{-p} con una \func{sleep}.

Si noti come per il calcolo dei valori da mantenere nella memoria condivisa si
sia usata ancora una volta la funzione \myfunc{dir\_scan}, già utilizzata (e
descritta in dettaglio) in sez.~\ref{sec:file_dir_read}, che ci permette di
effettuare la scansione delle voci della directory, chiamando per ciascuna di
esse la funzione \func{ComputeValues}, che esegue tutti i calcoli necessari.

Il codice di quest'ultima è riportato in fig.~\ref{fig:ipc_dirmonitor_sub}.
Come si vede la funzione (\texttt{\small 2--16}) è molto semplice e si limita
a chiamare (\texttt{\small 5}) la funzione \func{stat} sul file indicato da
ciascuna voce, per ottenerne i dati, che poi utilizza per incrementare i vari
contatori nella memoria condivisa, cui accede grazie alla
\index{variabili!globali} variabile globale \var{shmptr}.

Dato che la funzione è chiamata da \myfunc{dir\_scan}, si è all'interno del
ciclo principale del programma, con un mutex acquisito, perciò non è
necessario effettuare nessun controllo e si può accedere direttamente alla
memoria condivisa usando \var{shmptr} per riempire i campi della struttura
\struct{DirProp}; così prima (\texttt{\small 6--7}) si sommano le dimensioni
dei file ed il loro numero, poi, utilizzando le macro di
tab.~\ref{tab:file_type_macro}, si contano (\texttt{\small 8--14}) quanti ce
ne sono per ciascun tipo.

In fig.~\ref{fig:ipc_dirmonitor_sub} è riportato anche il codice
(\texttt{\small 17--23}) del gestore dei segnali di terminazione, usato per
chiudere il programma. Esso, oltre a provocare l'uscita del programma, si
incarica anche di cancellare tutti gli oggetti di intercomunicazione non più
necessari.  Per questo anzitutto (\texttt{\small 19}) acquisisce il mutex con
\func{MutexLock}, per evitare di operare mentre un client sta ancora leggendo
i dati, dopo di che (\texttt{\small 20}) distacca e rimuove il segmento di
memoria condivisa usando \func{ShmRemove}.  Infine (\texttt{\small 21})
rimuove il mutex con \func{MutexRemove} ed esce (\texttt{\small 22}).

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/ReadMonitor.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Codice del programma client del monitor delle proprietà di una
    directory, \file{ReadMonitor.c}.}
  \label{fig:ipc_dirmonitor_client}
\end{figure}

Il codice del client usato per leggere le informazioni mantenute nella memoria
condivisa è riportato in fig.~\ref{fig:ipc_dirmonitor_client}. Al solito si è
omessa la sezione di gestione delle opzioni e la funzione che stampa a video
le istruzioni; il codice completo è nei sorgenti allegati, nel file
\file{ReadMonitor.c}.

Una volta conclusa la gestione delle opzioni a riga di comando il programma
rigenera (\texttt{\small 7}) con \func{ftok} la stessa chiave usata dal server
per identificare il segmento di memoria condivisa ed il mutex, poi
(\texttt{\small 8}) richiede con \func{ShmFind} l'indirizzo della memoria
condivisa agganciando al contempo il segmento al processo, Infine
(\texttt{\small 17--20}) con \func{MutexFind} si richiede l'identificatore del
mutex.  Completata l'inizializzazione ed ottenuti i riferimenti agli oggetti
di intercomunicazione necessari viene eseguito il corpo principale del
programma (\texttt{\small 21--33}); si comincia (\texttt{\small 22})
acquisendo il mutex con \func{MutexLock}; qui avviene il blocco del processo
se la memoria condivisa non è disponibile.  Poi (\texttt{\small 23--31}) si
stampano i vari valori mantenuti nella memoria condivisa attraverso l'uso di
\var{shmptr}.  Infine (\texttt{\small 41}) con \func{MutexUnlock} si rilascia
il mutex, prima di uscire.

Verifichiamo allora il funzionamento dei nostri programmi; al solito, usando
le funzioni di libreria occorre definire opportunamente
\code{LD\_LIBRARY\_PATH}; poi si potrà lanciare il server con:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./dirmonitor ./
\end{Verbatim}
%$
ed avendo usato \func{daemon} il comando ritornerà immediatamente. Una volta
che il server è in esecuzione, possiamo passare ad invocare il client per
verificarne i risultati, in tal caso otterremo:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./readmon 
Ci sono 68 file dati
Ci sono 3 directory
Ci sono 0 link
Ci sono 0 fifo
Ci sono 0 socket
Ci sono 0 device a caratteri
Ci sono 0 device a blocchi
Totale  71 file, per 489831 byte
\end{Verbatim}
%$
ed un rapido calcolo (ad esempio con \code{ls -a | wc} per contare i file) ci
permette di verificare che il totale dei file è giusto. Un controllo con
\cmd{ipcs} ci permette inoltre di verificare la presenza di un segmento di
memoria condivisa e di un semaforo:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ipcs
------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0xffffffff 54067205   piccardi  666        4096       1                       

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems     
0xffffffff 229376     piccardi  666        1         

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
\end{Verbatim}
%$

Se a questo punto aggiungiamo un file, ad esempio con \code{touch prova},
potremo verificare che, passati nel peggiore dei casi almeno 10 secondi (o
l'eventuale altro intervallo impostato per la rilettura dei dati) avremo:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./readmon 
Ci sono 69 file dati
Ci sono 3 directory
Ci sono 0 link
Ci sono 0 fifo
Ci sono 0 socket
Ci sono 0 device a caratteri
Ci sono 0 device a blocchi
Totale  72 file, per 489887 byte
\end{Verbatim}
%$

A questo punto possiamo far uscire il server inviandogli un segnale di
\signal{SIGTERM} con il comando \code{killall dirmonitor}, a questo punto
ripetendo la lettura, otterremo un errore:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ./readmon 
Cannot find shared memory: No such file or directory
\end{Verbatim}
%$
e inoltre potremo anche verificare che anche gli oggetti di intercomunicazione
visti in precedenza sono stati regolarmente  cancellati:
\begin{Verbatim}
[piccardi@gont sources]$ ipcs
------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems     

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
\end{Verbatim}
%$


%% Per capire meglio il funzionamento delle funzioni facciamo ancora una volta
%% riferimento alle strutture con cui il kernel implementa i segmenti di memoria
%% condivisa; uno schema semplificato della struttura è illustrato in
%% fig.~\ref{fig:ipc_shm_struct}. 

%% \begin{figure}[!htb]
%%   \centering
%%   \includegraphics[width=10cm]{img/shmstruct}
%%    \caption{Schema dell'implementazione dei segmenti di memoria condivisa in
%%     Linux.}
%%   \label{fig:ipc_shm_struct}
%% \end{figure}




\section{Tecniche alternative}
\label{sec:ipc_alternatives}

Come abbiamo detto in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_generic}, e ripreso nella
descrizione dei singoli oggetti che ne fan parte, il \textit{SysV-IPC}
presenta numerosi problemi; in \cite{APUE}\footnote{in particolare nel
  capitolo 14.}  Stevens ne effettua una accurata analisi (alcuni dei concetti
sono già stati accennati in precedenza) ed elenca alcune possibili tecniche
alternative, che vogliamo riprendere in questa sezione.


\subsection{Alternative alle code di messaggi}
\label{sec:ipc_mq_alternative}
 
Le code di messaggi sono probabilmente il meno usato degli oggetti del
\textit{SysV-IPC}; esse infatti nacquero principalmente come meccanismo di
comunicazione bidirezionale quando ancora le \textit{pipe} erano
unidirezionali; con la disponibilità di \func{socketpair} (vedi
sez.~\ref{sec:ipc_socketpair}) o utilizzando una coppia di \textit{pipe}, si
può ottenere questo risultato senza incorrere nelle complicazioni introdotte
dal \textit{SysV-IPC}.

In realtà, grazie alla presenza del campo \var{mtype}, le code di messaggi
hanno delle caratteristiche ulteriori, consentendo una classificazione dei
messaggi ed un accesso non rigidamente sequenziale; due caratteristiche che
sono impossibili da ottenere con le \textit{pipe} e i socket di
\func{socketpair}.  A queste esigenze però si può comunque ovviare in maniera
diversa con un uso combinato della memoria condivisa e dei meccanismi di
sincronizzazione, per cui alla fine l'uso delle code di messaggi classiche è
relativamente poco diffuso.

% TODO: trattare qui, se non ssis trova posto migliore, copy_from_process e
% copy_to_process, introdotte con il kernel 3.2. Vedi
% http://lwn.net/Articles/405346/ e
% http://ozlabs.org/~cyeoh/cma/process_vm_readv.txt 


\subsection{I \textsl{file di lock}}
\label{sec:ipc_file_lock}

\index{file!di lock|(}

Come illustrato in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_sem} i semafori del \textit{SysV-IPC}
presentano una interfaccia inutilmente complessa e con alcuni difetti
strutturali, per questo quando si ha una semplice esigenza di sincronizzazione
per la quale basterebbe un semaforo binario (quello che abbiamo definito come
\textit{mutex}), per indicare la disponibilità o meno di una risorsa, senza la
necessità di un contatore come i semafori, si possono utilizzare metodi
alternativi.

La prima possibilità, utilizzata fin dalle origini di Unix, è quella di usare
dei \textsl{file di lock} (per i quali esiste anche una opportuna directory,
\file{/var/lock}, nel filesystem standard). Per questo si usa la
caratteristica della funzione \func{open} (illustrata in
sez.~\ref{sec:file_open_close}) che prevede\footnote{questo è quanto dettato dallo
  standard POSIX.1, ciò non toglie che in alcune implementazioni questa
  tecnica possa non funzionare; in particolare per Linux, nel caso di NFS, si
  è comunque soggetti alla possibilità di una \itindex{race~condition}
  \textit{race condition}.} che essa ritorni un errore quando usata con i
flag di \const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}. In tal modo la creazione di un
\textsl{file di lock} può essere eseguita atomicamente, il processo che crea
il file con successo si può considerare come titolare del lock (e della
risorsa ad esso associata) mentre il rilascio si può eseguire con una chiamata
ad \func{unlink}.

Un esempio dell'uso di questa funzione è mostrato dalle funzioni
\func{LockFile} ed \func{UnlockFile} riportate in fig.~\ref{fig:ipc_file_lock}
(sono contenute in \file{LockFile.c}, un altro dei sorgenti allegati alla
guida) che permettono rispettivamente di creare e rimuovere un \textsl{file di
  lock}. Come si può notare entrambe le funzioni sono elementari; la prima
(\texttt{\small 4--10}) si limita ad aprire il file di lock (\texttt{\small
  9}) nella modalità descritta, mentre la seconda (\texttt{\small 11--17}) lo
cancella con \func{unlink}.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/LockFile.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Il codice delle funzioni \func{LockFile} e \func{UnlockFile} che
    permettono di creare e rimuovere un \textsl{file di lock}.}
  \label{fig:ipc_file_lock}
\end{figure}

Uno dei limiti di questa tecnica è che, come abbiamo già accennato in
sez.~\ref{sec:file_open_close}, questo comportamento di \func{open} può non
funzionare (la funzione viene eseguita, ma non è garantita l'atomicità
dell'operazione) se il filesystem su cui si va ad operare è su NFS; in tal
caso si può adottare una tecnica alternativa che prevede l'uso della
\func{link} per creare come \textsl{file di lock} un hard link ad un file
esistente; se il link esiste già e la funzione fallisce, significa che la
risorsa è bloccata e potrà essere sbloccata solo con un \func{unlink},
altrimenti il link è creato ed il lock acquisito; il controllo e l'eventuale
acquisizione sono atomici; la soluzione funziona anche su NFS, ma ha un altro
difetto è che è quello di poterla usare solo se si opera all'interno di uno
stesso filesystem.

In generale comunque l'uso di un \textsl{file di lock} presenta parecchi
problemi che non lo rendono una alternativa praticabile per la
sincronizzazione: anzitutto in caso di terminazione imprevista del processo,
si lascia allocata la risorsa (il \textsl{file di lock}) e questa deve essere
sempre cancellata esplicitamente.  Inoltre il controllo della disponibilità
può essere eseguito solo con una tecnica di \itindex{polling}
\textit{polling}, ed è quindi molto inefficiente.

La tecnica dei file di lock ha comunque una sua utilità, e può essere usata
con successo quando l'esigenza è solo quella di segnalare l'occupazione di una
risorsa, senza necessità di attendere che questa si liberi; ad esempio la si
usa spesso per evitare interferenze sull'uso delle porte seriali da parte di
più programmi: qualora si trovi un file di lock il programma che cerca di
accedere alla seriale si limita a segnalare che la risorsa non è disponibile.

\index{file!di lock|)}


\subsection{La sincronizzazione con il \textit{file locking}}
\label{sec:ipc_lock_file}

Dato che i \index{file!di lock} file di lock presentano gli inconvenienti
illustrati in precedenza, la tecnica alternativa di sincronizzazione più
comune è quella di fare ricorso al \itindex{file~locking} \textit{file
  locking} (trattato in sez.~\ref{sec:file_locking}) usando \func{fcntl} su un
file creato per l'occasione per ottenere un write lock. In questo modo potremo
usare il lock come un \textit{mutex}: per bloccare la risorsa basterà
acquisire il lock, per sbloccarla basterà rilasciare il lock. Una richiesta
fatta con un write lock metterà automaticamente il processo in stato di
attesa, senza necessità di ricorrere al \itindex{polling} \textit{polling} per
determinare la disponibilità della risorsa, e al rilascio della stessa da
parte del processo che la occupava si otterrà il nuovo lock atomicamente.

Questo approccio presenta il notevole vantaggio che alla terminazione di un
processo tutti i lock acquisiti vengono rilasciati automaticamente (alla
chiusura dei relativi file) e non ci si deve preoccupare di niente; inoltre
non consuma risorse permanentemente allocate nel sistema. Lo svantaggio è che,
dovendo fare ricorso a delle operazioni sul filesystem, esso è in genere
leggermente più lento.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/MutexLocking.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Il codice delle funzioni che permettono per la gestione dei 
    \textit{mutex} con il \itindex{file~locking} \textit{file locking}.}
  \label{fig:ipc_flock_mutex}
\end{figure}

Il codice delle varie funzioni usate per implementare un mutex utilizzando il
\textit{file locking} \itindex{file~locking} è riportato in
fig.~\ref{fig:ipc_flock_mutex}; si è mantenuta volutamente una struttura
analoga alle precedenti funzioni che usano i semafori, anche se le due
interfacce non possono essere completamente equivalenti, specie per quanto
riguarda la rimozione del mutex.

La prima funzione (\texttt{\small 1--5}) è \func{CreateMutex}, e serve a
creare il mutex; la funzione è estremamente semplice, e si limita
(\texttt{\small 4}) a creare, con una opportuna chiamata ad \func{open}, il
file che sarà usato per il successivo \textit{file locking}, assicurandosi che
non esista già (nel qual caso segnala un errore); poi restituisce il file
descriptor che sarà usato dalle altre funzioni per acquisire e rilasciare il
mutex.

La seconda funzione (\texttt{\small 6--10}) è \func{FindMutex}, che, come la
precedente, è stata definita per mantenere una analogia con la corrispondente
funzione basata sui semafori. Anch'essa si limita (\texttt{\small 9}) ad
aprire il file da usare per il \itindex{file~locking} \textit{file locking},
solo che in questo caso le opzioni di \func{open} sono tali che il file in
questione deve esistere di già.

La terza funzione (\texttt{\small 11--22}) è \func{LockMutex} e serve per
acquisire il mutex. La funzione definisce (\texttt{\small 14}) e inizializza
(\texttt{\small 16--19}) la struttura \var{lock} da usare per acquisire un
write lock sul file, che poi (\texttt{\small 21}) viene richiesto con
\func{fcntl}, restituendo il valore di ritorno di quest'ultima. Se il file è
libero il lock viene acquisito e la funzione ritorna immediatamente;
altrimenti \func{fcntl} si bloccherà (si noti che la si è chiamata con
\const{F\_SETLKW}) fino al rilascio del lock.

La quarta funzione (\texttt{\small 24--34}) è \func{UnlockMutex} e serve a
rilasciare il mutex. La funzione è analoga alla precedente, solo che in questo
caso si inizializza (\texttt{\small 28--31}) la struttura \var{lock} per il
rilascio del lock, che viene effettuato (\texttt{\small 33}) con la opportuna
chiamata a \func{fcntl}. Avendo usato il \itindex{file~locking} \textit{file
  locking} in semantica POSIX (si riveda quanto detto
sez.~\ref{sec:file_posix_lock}) solo il processo che ha precedentemente
eseguito il lock può sbloccare il mutex.

La quinta funzione (\texttt{\small 36--39}) è \func{RemoveMutex} e serve a
cancellare il mutex. Anche questa funzione è stata definita per mantenere una
analogia con le funzioni basate sui semafori, e si limita a cancellare
(\texttt{\small 38}) il file con una chiamata ad \func{unlink}. Si noti che in
questo caso la funzione non ha effetto sui mutex già ottenuti con precedenti
chiamate a \func{FindMutex} o \func{CreateMutex}, che continueranno ad essere
disponibili fintanto che i relativi file descriptor restano aperti. Pertanto
per rilasciare un mutex occorrerà prima chiamare \func{UnlockMutex} oppure
chiudere il file usato per il lock.

La sesta funzione (\texttt{\small 41--55}) è \func{ReadMutex} e serve a
leggere lo stato del mutex. In questo caso si prepara (\texttt{\small 46--49})
la solita struttura \var{lock} come l'acquisizione del lock, ma si effettua
(\texttt{\small 51}) la chiamata a \func{fcntl} usando il comando
\const{F\_GETLK} per ottenere lo stato del lock, e si restituisce
(\texttt{\small 52}) il valore di ritorno in caso di errore, ed il valore del
campo \var{l\_type} (che descrive lo stato del lock) altrimenti
(\texttt{\small 54}). Per questo motivo la funzione restituirà -1 in caso di
errore e uno dei due valori \const{F\_UNLCK} o \const{F\_WRLCK}\footnote{non
  si dovrebbe mai avere il terzo valore possibile, \const{F\_RDLCK}, dato che
  la nostra interfaccia usa solo i write lock. Però è sempre possibile che
  siano richiesti altri lock sul file al di fuori dell'interfaccia, nel qual
  caso si potranno avere, ovviamente, interferenze indesiderate.} in caso di
successo, ad indicare che il mutex è, rispettivamente, libero o occupato.

Basandosi sulla semantica dei file lock POSIX valgono tutte le considerazioni
relative al comportamento di questi ultimi fatte in
sez.~\ref{sec:file_posix_lock}; questo significa ad esempio che, al contrario
di quanto avveniva con l'interfaccia basata sui semafori, chiamate multiple a
\func{UnlockMutex} o \func{LockMutex} non si cumulano e non danno perciò
nessun inconveniente.


\subsection{Il \textit{memory mapping} anonimo}
\label{sec:ipc_mmap_anonymous}

\itindbeg{memory~mapping} Abbiamo già visto che quando i processi sono
\textsl{correlati}\footnote{se cioè hanno almeno un progenitore comune.} l'uso
delle \textit{pipe} può costituire una valida alternativa alle code di
messaggi; nella stessa situazione si può evitare l'uso di una memoria
condivisa facendo ricorso al cosiddetto \textit{memory mapping} anonimo.

In sez.~\ref{sec:file_memory_map} abbiamo visto come sia possibile mappare il
contenuto di un file nella memoria di un processo, e che, quando viene usato
il flag \const{MAP\_SHARED}, le modifiche effettuate al contenuto del file
vengono viste da tutti i processi che lo hanno mappato. Utilizzare questa
tecnica per creare una memoria condivisa fra processi diversi è estremamente
inefficiente, in quanto occorre passare attraverso il disco. Però abbiamo
visto anche che se si esegue la mappatura con il flag \const{MAP\_ANONYMOUS}
la regione mappata non viene associata a nessun file, anche se quanto scritto
rimane in memoria e può essere riletto; allora, dato che un processo figlio
mantiene nel suo spazio degli indirizzi anche le regioni mappate, esso sarà
anche in grado di accedere a quanto in esse è contenuto.

In questo modo diventa possibile creare una memoria condivisa fra processi
diversi, purché questi abbiano almeno un progenitore comune che ha effettuato
il \textit{memory mapping} anonimo.\footnote{nei sistemi derivati da SysV una
  funzionalità simile a questa viene implementata mappando il file speciale
  \file{/dev/zero}. In tal caso i valori scritti nella regione mappata non
  vengono ignorati (come accade qualora si scriva direttamente sul file), ma
  restano in memoria e possono essere riletti secondo le stesse modalità usate
  nel \textit{memory mapping} anonimo.} Vedremo come utilizzare questa tecnica
più avanti, quando realizzeremo una nuova versione del monitor visto in
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_shm} che possa restituisca i risultati via rete.
\itindend{memory~mapping}

% TODO: fare esempio di mmap anonima

% TODO: con il kernel 3.2 è stata introdotta un nuovo meccanismo di
% intercomunicazione veloce chiamato Cross Memory Attach, da capire se e come
% trattarlo qui, vedi http://lwn.net/Articles/405346/
% https://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=commitdiff;h=fcf634098c00dd9cd247447368495f0b79be12d1

\section{L'intercomunicazione fra processi di POSIX}
\label{sec:ipc_posix}

Per superare i numerosi problemi del \textit{SysV-IPC}, evidenziati per i suoi
aspetti generali in coda a sez.~\ref{sec:ipc_sysv_generic} e per i singoli
oggetti nei paragrafi successivi, lo standard POSIX.1b ha introdotto dei nuovi
meccanismi di comunicazione, che vanno sotto il nome di POSIX IPC, definendo
una interfaccia completamente nuova, che tratteremo in questa sezione.


\subsection{Considerazioni generali}
\label{sec:ipc_posix_generic}

Oggi Linux supporta tutti gli oggetti definito nello standard POSIX per l'IPC,
ma a lungo non è stato così; la memoria condivisa è presente a partire dal
kernel 2.4.x, i semafori sono forniti dalla \acr{glibc} nella sezione che
implementa i \itindex{thread} \textit{thread} POSIX di nuova generazione che
richiedono il kernel 2.6, le code di messaggi sono supportate a partire dal
kernel 2.6.6.

La caratteristica fondamentale dell'interfaccia POSIX è l'abbandono dell'uso
degli identificatori e delle chiavi visti nel \textit{SysV-IPC}, per passare ai
\itindex{POSIX~IPC~names} \textit{POSIX IPC names}, che sono sostanzialmente
equivalenti ai nomi dei file. Tutte le funzioni che creano un oggetto di IPC
POSIX prendono come primo argomento una stringa che indica uno di questi nomi;
lo standard è molto generico riguardo l'implementazione, ed i nomi stessi
possono avere o meno una corrispondenza sul filesystem; tutto quello che è
richiesto è che:
\begin{itemize*}
\item i nomi devono essere conformi alle regole che caratterizzano i
  \textit{pathname}, in particolare non essere più lunghi di \const{PATH\_MAX}
  byte e terminati da un carattere nullo.
\item se il nome inizia per una \texttt{/} chiamate differenti allo stesso
  nome fanno riferimento allo stesso oggetto, altrimenti l'interpretazione del
  nome dipende dall'implementazione.
\item l'interpretazione di ulteriori \texttt{/} presenti nel nome dipende
  dall'implementazione.
\end{itemize*}

Data la assoluta genericità delle specifiche, il comportamento delle funzioni
è subordinato in maniera quasi completa alla relativa
implementazione.\footnote{tanto che Stevens in \cite{UNP2} cita questo caso
  come un esempio della maniera standard usata dallo standard POSIX per
  consentire implementazioni non standardizzabili.} Nel caso di Linux, sia per
quanto riguarda la memoria condivisa ed i semafori, che per quanto riguarda le
code di messaggi, tutto viene creato usando come radici delle opportune
directory (rispettivamente \file{/dev/shm} e \file{/dev/mqueue}, per i
dettagli si faccia riferimento a sez.~\ref{sec:ipc_posix_shm},
sez.~\ref{sec:ipc_posix_sem} e sez.~\ref{sec:ipc_posix_mq}) ed i nomi
specificati nelle relative funzioni sono considerati come un
\itindsub{pathname}{assoluto} \textit{pathname} assoluto (comprendente
eventuali sottodirectory) rispetto a queste radici.

Il vantaggio degli oggetti di IPC POSIX è comunque che essi vengono inseriti
nell'albero dei file, e possono essere maneggiati con le usuali funzioni e
comandi di accesso ai file,\footnote{questo è vero nel caso di Linux, che usa
  una implementazione che lo consente, non è detto che altrettanto valga per
  altri kernel; in particolare, come si può facilmente verificare con uno
  \cmd{strace}, sia per la memoria condivisa che per le code di messaggi le
  system call utilizzate da Linux sono le stesse di quelle dei file, essendo
  detti oggetti realizzati come tali in appositi filesystem.}  che funzionano
come su dei file normali.

In particolare i permessi associati agli oggetti di IPC POSIX sono identici ai
permessi dei file, ed il controllo di accesso segue esattamente la stessa
semantica (quella illustrata in sez.~\ref{sec:file_access_control}), e non
quella particolare (si ricordi quanto visto in
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_access_control}) che viene usata per gli oggetti del
SysV-IPC.  Per quanto riguarda l'attribuzione dell'utente e del gruppo
proprietari dell'oggetto alla creazione di quest'ultimo essa viene effettuata
secondo la semantica SysV: corrispondono cioè a \ids{UID} e \ids{GID} effettivi
del processo che esegue la creazione.


\subsection{Code di messaggi}
\label{sec:ipc_posix_mq}

Le code di messaggi POSIX sono supportate da Linux a partire dalla versione
2.6.6-rc1 del kernel,\footnote{l'implementazione è dovuta a Michal Wronski e
  Krzysztof Benedyczak, e le relative informazioni si possono trovare su
  \url{http://www.geocities.com/wronski12/posix_ipc/index.html}.} In generale,
come le corrispettive del \textit{SysV-IPC}, le code di messaggi sono poco
usate, dato che i socket, nei casi in cui sono sufficienti, sono più comodi, e
che in casi più complessi la comunicazione può essere gestita direttamente con
mutex (o semafori) e memoria condivisa con tutta la flessibilità che occorre.

Per poter utilizzare le code di messaggi, oltre ad utilizzare un kernel
superiore al 2.6.6 (o precedente, se sono stati opportunamente applicati i
relativi patch) occorre utilizzare la libreria \file{libmqueue}\footnote{i
  programmi che usano le code di messaggi cioè devono essere compilati
  aggiungendo l'opzione \code{-lmqueue} al comando \cmd{gcc}; in
  corrispondenza all'inclusione del supporto nel kernel ufficiale anche
  \file{libmqueue} è stata inserita nella \acr{glibc}, a partire dalla
  versione 2.3.4 delle medesime.} che contiene le funzioni dell'interfaccia
POSIX.\footnote{in realtà l'implementazione è realizzata tramite delle
  opportune chiamate ad \func{ioctl} sui file del filesystem speciale su cui
  vengono mantenuti questi oggetti di IPC.}

La libreria inoltre richiede la presenza dell'apposito filesystem di tipo
\texttt{mqueue} montato su \file{/dev/mqueue}; questo può essere fatto
aggiungendo ad \conffile{/etc/fstab} una riga come:
\begin{verbatim}
mqueue   /dev/mqueue       mqueue    defaults        0      0
\end{verbatim}
ed esso sarà utilizzato come radice sulla quale vengono risolti i nomi delle
code di messaggi che iniziano con una ``\texttt{/}''. Le opzioni di mount
accettate sono \texttt{uid}, \texttt{gid} e \texttt{mode} che permettono
rispettivamente di impostare l'utente, il gruppo ed i permessi associati al
filesystem.


La funzione che permette di aprire (e crearla se non esiste ancora) una coda
di messaggi POSIX è \funcd{mq\_open}, ed il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{mqueue.h} 
  
  \funcdecl{mqd\_t mq\_open(const char *name, int oflag)}
  
  \funcdecl{mqd\_t mq\_open(const char *name, int oflag, unsigned long mode,
    struct mq\_attr *attr)}
  
  Apre una coda di messaggi POSIX impostandone le caratteristiche.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce il descrittore associato alla coda in caso
    di successo e -1 per un errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i
    valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] il processo non ha i privilegi per accedere al
      alla memoria secondo quanto specificato da \param{oflag}.
    \item[\errcode{EEXIST}] si è specificato \const{O\_CREAT} e
      \const{O\_EXCL} ma la coda già esiste.
    \item[\errcode{EINVAL}] il file non supporta la funzione, o si è
      specificato \const{O\_CREAT} con una valore non nullo di \param{attr} e
      valori non validi di \var{mq\_maxmsg} e \var{mq\_msgsize}.
    \item[\errcode{ENOENT}] non si è specificato \const{O\_CREAT} ma la coda
      non esiste.
    \end{errlist}
    ed inoltre \errval{ENOMEM}, \errval{ENOSPC}, \errval{EFAULT},
    \errval{EMFILE}, \errval{EINTR} ed \errval{ENFILE}.
}
\end{functions}

La funzione apre la coda di messaggi identificata dall'argomento \param{name}
restituendo il descrittore ad essa associato, del tutto analogo ad un file
descriptor, con l'unica differenza che lo standard prevede un apposito tipo
\type{mqd\_t}.\footnote{nel caso di Linux si tratta in effetti proprio di un
  normale file descriptor; pertanto, anche se questo comportamento non è
  portabile, lo si può tenere sotto osservazione con le funzioni dell'I/O
  multiplexing (vedi sez.~\ref{sec:file_multiplexing}) come possibile
  alternativa all'uso dell'interfaccia di notifica di \func{mq\_notify} (che
  vedremo a breve).} Se la coda esiste già il descrittore farà riferimento
allo stesso oggetto, consentendo così la comunicazione fra due processi
diversi.

La funzione è del tutto analoga ad \func{open} ed analoghi sono i valori che
possono essere specificati per \param{oflag}, che deve essere specificato come
maschera binaria; i valori possibili per i vari bit sono quelli visti in
sez.~\ref{sec:file_open_close} dei quali però \func{mq\_open} riconosce solo i
seguenti:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.2cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\const{O\_RDONLY}] Apre la coda solo per la ricezione di messaggi. Il
  processo potrà usare il descrittore con \func{mq\_receive} ma non con
  \func{mq\_send}.
\item[\const{O\_WRONLY}] Apre la coda solo per la trasmissione di messaggi. Il
  processo potrà usare il descrittore con \func{mq\_send} ma non con
  \func{mq\_receive}.
\item[\const{O\_RDWR}] Apre la coda solo sia per la trasmissione che per la
  ricezione. 
\item[\const{O\_CREAT}] Necessario qualora si debba creare la coda; la
  presenza di questo bit richiede la presenza degli ulteriori argomenti
  \param{mode} e \param{attr}.
\item[\const{O\_EXCL}] Se usato insieme a \const{O\_CREAT} fa fallire la
  chiamata se la coda esiste già, altrimenti esegue la creazione atomicamente.
\item[\const{O\_NONBLOCK}] Imposta la coda in modalità non bloccante, le
  funzioni di ricezione e trasmissione non si bloccano quando non ci sono le
  risorse richieste, ma ritornano immediatamente con un errore di
  \errcode{EAGAIN}.
\end{basedescript}

I primi tre bit specificano la modalità di apertura della coda, e sono fra
loro esclusivi. Ma qualunque sia la modalità in cui si è aperta una coda,
questa potrà essere riaperta più volte in una modalità diversa, e vi si potrà
sempre accedere attraverso descrittori diversi, esattamente come si può fare
per i file normali.

Se la coda non esiste e la si vuole creare si deve specificare
\const{O\_CREAT}, in tal caso occorre anche specificare i permessi di
creazione con l'argomento \param{mode};\footnote{fino al 2.6.14 per un bug i
  valori della \textit{umask} del processo non venivano applicati a questi
  permessi.} i valori di quest'ultimo sono identici a quelli usati per
\func{open}, anche se per le code di messaggi han senso solo i permessi di
lettura e scrittura. Oltre ai permessi di creazione possono essere specificati
anche gli attributi specifici della coda tramite l'argomento \param{attr};
quest'ultimo è un puntatore ad una apposita struttura \struct{mq\_attr}, la
cui definizione è riportata in fig.~\ref{fig:ipc_mq_attr}.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\textwidth}
    \includestruct{listati/mq_attr.h}
  \end{minipage} 
  \normalsize
  \caption{La struttura \structd{mq\_attr}, contenente gli attributi di una
    coda di messaggi POSIX.}
  \label{fig:ipc_mq_attr}
\end{figure}

Per la creazione della coda i campi della struttura che devono essere
specificati sono \var{mq\_maxmsg} e \var{mq\_msgsize}, che indicano
rispettivamente il numero massimo di messaggi che può contenere e la
dimensione massima di un messaggio. Il valore dovrà essere positivo e minore
dei rispettivi limiti di sistema \const{MQ\_MAXMSG} e \const{MQ\_MSGSIZE},
altrimenti la funzione fallirà con un errore di \errcode{EINVAL}.
Se \param{attr} è un puntatore nullo gli attributi della coda saranno
impostati ai valori predefiniti.

Quando l'accesso alla coda non è più necessario si può chiudere il relativo
descrittore con la funzione \funcd{mq\_close}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{mqueue.h}
{int mq\_close(mqd\_t mqdes)}

Chiude la coda \param{mqdes}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 per un errore;
  nel quel caso \var{errno} assumerà i valori \errval{EBADF} o
  \errval{EINTR}.}
\end{prototype}

La funzione è analoga a \func{close},\footnote{in Linux, dove le code sono
  implementate come file su un filesystem dedicato, è esattamente la stessa
  funzione.} dopo la sua esecuzione il processo non sarà più in grado di usare
il descrittore della coda, ma quest'ultima continuerà ad esistere nel sistema
e potrà essere acceduta con un'altra chiamata a \func{mq\_open}. All'uscita di
un processo tutte le code aperte, così come i file, vengono chiuse
automaticamente. Inoltre se il processo aveva agganciato una richiesta di
notifica sul descrittore che viene chiuso, questa sarà rilasciata e potrà
essere richiesta da qualche altro processo.


Quando si vuole effettivamente rimuovere una coda dal sistema occorre usare la
funzione \funcd{mq\_unlink}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{mqueue.h}
{int mq\_unlink(const char *name)}

Rimuove una coda di messaggi.
  
\bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
  errore; nel quel caso \var{errno} assumerà gli stessi valori riportati da
  \func{unlink}.}
\end{prototype}

Anche in questo caso il comportamento della funzione è analogo a quello di
\func{unlink} per i file,\footnote{di nuovo l'implementazione di Linux usa
  direttamente \func{unlink}.} la funzione rimuove la coda \param{name}, così
che una successiva chiamata a \func{mq\_open} fallisce o crea una coda
diversa. 

Come per i file ogni coda di messaggi ha un contatore di riferimenti, per cui
la coda non viene effettivamente rimossa dal sistema fin quando questo non si
annulla. Pertanto anche dopo aver eseguito con successo \func{mq\_unlink} la
coda resterà accessibile a tutti i processi che hanno un descrittore aperto su
di essa.  Allo stesso modo una coda ed i suoi contenuti resteranno disponibili
all'interno del sistema anche quando quest'ultima non è aperta da nessun
processo (questa è una delle differenze più rilevanti nei confronti di
\textit{pipe} e \textit{fifo}).  La sola differenza fra code di messaggi POSIX
e file normali è che, essendo il filesystem delle code di messaggi virtuale e
basato su oggetti interni al kernel, il suo contenuto viene perduto con il
riavvio del sistema.

Come accennato ad ogni coda di messaggi è associata una struttura
\struct{mq\_attr}, che può essere letta e modificata attraverso le due
funzioni \funcd{mq\_getattr} e \funcd{mq\_setattr}, i cui prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{mqueue.h} 
  
  \funcdecl{int mq\_getattr(mqd\_t mqdes, struct mq\_attr *mqstat)}
  Legge gli attributi di una coda di messaggi POSIX.
  
  \funcdecl{int mq\_setattr(mqd\_t mqdes, const struct mq\_attr *mqstat,
    struct mq\_attr *omqstat)}
  Modifica gli attributi di una coda di messaggi POSIX.
  
  \bodydesc{Entrambe le funzioni restituiscono 0 in caso di successo e -1 in
    caso di errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori \errval{EBADF}
    o \errval{EINVAL}.}
\end{functions}

La funzione \func{mq\_getattr} legge i valori correnti degli attributi della
coda nella struttura puntata da \param{mqstat}; di questi l'unico relativo
allo stato corrente della coda è \var{mq\_curmsgs} che indica il numero di
messaggi da essa contenuti, gli altri indicano le caratteristiche generali
della stessa.

La funzione \func{mq\_setattr} permette di modificare gli attributi di una
coda tramite i valori contenuti nella struttura puntata da \param{mqstat}, ma
può essere modificato solo il campo \var{mq\_flags}, gli altri campi vengono
ignorati. In particolare i valori di \var{mq\_maxmsg} e \var{mq\_msgsize}
possono essere specificati solo in fase ci creazione della coda.  Inoltre i
soli valori possibili per \var{mq\_flags} sono 0 e \const{O\_NONBLOCK}, per
cui alla fine la funzione può essere utilizzata solo per abilitare o
disabilitare la modalità non bloccante. L'argomento \param{omqstat} viene
usato, quando diverso da \val{NULL}, per specificare l'indirizzo di una
struttura su cui salvare i valori degli attributi precedenti alla chiamata
della funzione.

Per inserire messaggi su di una coda sono previste due funzioni,
\funcd{mq\_send} e \funcd{mq\_timedsend}, i cui prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{mqueue.h} 
  
  \funcdecl{int mq\_send(mqd\_t mqdes, const char *msg\_ptr, size\_t msg\_len,
    unsigned int msg\_prio)} 
  Esegue l'inserimento di un messaggio su una coda.
  
  \funcdecl{int mq\_timedsend(mqd\_t mqdes, const char *msg\_ptr, size\_t
    msg\_len, unsigned msg\_prio, const struct timespec *abs\_timeout)}   
  Esegue l'inserimento di un messaggio su una coda entro il tempo
  \param{abs\_timeout}.

  
  \bodydesc{Le funzioni restituiscono 0 in caso di successo e $-1$ per un
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EAGAIN}] si è aperta la coda con \const{O\_NONBLOCK}, e la
      coda è piena.
    \item[\errcode{EMSGSIZE}] la lunghezza del messaggio \param{msg\_len}
      eccede il limite impostato per la coda.
    \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore nullo per
      \param{msg\_len}, o un valore di \param{msg\_prio} fuori dai limiti, o
      un valore non valido per \param{abs\_timeout}.
    \item[\errcode{ETIMEDOUT}] l'inserimento del messaggio non è stato
      effettuato entro il tempo stabilito.
    \end{errlist}    
    ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{ENOMEM} ed \errval{EINTR}.}
\end{functions}

Entrambe le funzioni richiedono un puntatore al testo del messaggio
nell'argomento \param{msg\_ptr} e la relativa lunghezza in \param{msg\_len}.
Se quest'ultima eccede la dimensione massima specificata da \var{mq\_msgsize}
le funzioni ritornano immediatamente con un errore di \errcode{EMSGSIZE}.

L'argomento \param{msg\_prio} indica la priorità dell'argomento; i messaggi di
priorità maggiore vengono inseriti davanti a quelli di priorità inferiore (e
quindi saranno riletti per primi). A parità del valore della priorità il
messaggio sarà inserito in coda a tutti quelli con la stessa priorità. Il
valore della priorità non può eccedere il limite di sistema
\const{MQ\_PRIO\_MAX}, che nel caso è pari a 32768.

Qualora la coda sia piena, entrambe le funzioni si bloccano, a meno che non
sia stata selezionata in fase di apertura la modalità non
bloccante,\footnote{o si sia impostato il flag \const{O\_NONBLOCK} sul file
  descriptor della coda.} nel qual caso entrambe ritornano \errcode{EAGAIN}.
La sola differenza fra le due funzioni è che la seconda, passato il tempo
massimo impostato con l'argomento \param{abs\_timeout},\footnote{deve essere
  specificato un tempo assoluto tramite una struttura \struct{timespec} (vedi
  fig.~\ref{fig:sys_timespec_struct}) indicato in numero di secondi e
  nanosecondi a partire dal 1 gennaio 1970.} ritorna comunque con un errore di
\errcode{ETIMEDOUT}, se invece il tempo è già scaduto al momento della
chiamata e la coda è vuota la funzione ritorna immediatamente.

Come per l'inserimento, anche per l'estrazione dei messaggi da una coda sono
previste due funzioni, \funcd{mq\_receive} e \funcd{mq\_timedreceive}, i cui
prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{mqueue.h} 
  
  \funcdecl{ssize\_t mq\_receive(mqd\_t mqdes, char *msg\_ptr, size\_t
    msg\_len, unsigned int *msg\_prio)}   
  Effettua la ricezione di un messaggio da una coda.
  
  \funcdecl{ssize\_t mq\_timedreceive(mqd\_t mqdes, char *msg\_ptr, size\_t
    msg\_len, unsigned int *msg\_prio, const struct timespec *abs\_timeout)}
  Effettua la ricezione di un messaggio da una coda entro il tempo
  \param{abs\_timeout}.
  
  \bodydesc{Le funzioni restituiscono il numero di byte del messaggio in caso
    di successo e -1 in caso di errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i
    valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EAGAIN}] si è aperta la coda con \const{O\_NONBLOCK}, e la
      coda è vuota.
    \item[\errcode{EMSGSIZE}] la lunghezza del messaggio sulla coda eccede il
      valore \param{msg\_len} specificato per la ricezione.
    \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore nullo per
      \param{msg\_ptr}, o un valore non valido per \param{abs\_timeout}.
    \item[\errcode{ETIMEDOUT}] la ricezione del messaggio non è stata
      effettuata entro il tempo stabilito.
    \end{errlist}    
    ed inoltre \errval{EBADF}, \errval{EINTR}, \errval{ENOMEM}, o
    \errval{EINVAL}.}
\end{functions}

La funzione estrae dalla coda il messaggio a priorità più alta, o il più
vecchio fra quelli della stessa priorità. Una volta ricevuto il messaggio
viene tolto dalla coda e la sua dimensione viene restituita come valore di
ritorno.\footnote{si tenga presente che 0 è una dimensione valida e che la
  condizione di errore è restituita dal valore -1; Stevens in \cite{UNP2} fa
  notare che questo è uno dei casi in cui vale ciò che lo standard
  \textsl{non} dice, una dimensione nulla infatti, pur non essendo citata, non
  viene proibita.}

Se la dimensione specificata da \param{msg\_len} non è sufficiente a contenere
il messaggio, entrambe le funzioni, al contrario di quanto avveniva nelle code
di messaggi di SysV, ritornano un errore di \errcode{EMSGSIZE} senza estrarre
il messaggio.  È pertanto opportuno eseguire sempre una chiamata a
\func{mq\_getattr} prima di eseguire una ricezione, in modo da ottenere la
dimensione massima dei messaggi sulla coda, per poter essere in grado di
allocare dei buffer sufficientemente ampi per la lettura.

Se si specifica un puntatore per l'argomento \param{msg\_prio} il valore della
priorità del messaggio viene memorizzato all'indirizzo da esso indicato.
Qualora non interessi usare la priorità dei messaggi si può specificare
\var{NULL}, ed usare un valore nullo della priorità nelle chiamate a
\func{mq\_send}.

Si noti che con le code di messaggi POSIX non si ha la possibilità di
selezionare quale messaggio estrarre con delle condizioni sulla priorità, a
differenza di quanto avveniva con le code di messaggi di SysV che permettono
invece la selezione in base al valore del campo \var{mtype}. 

% TODO inserire i dati di /proc/sys/fs/mqueue 

Qualora la coda sia vuota entrambe le funzioni si bloccano, a meno che non si
sia selezionata la modalità non bloccante; in tal caso entrambe ritornano
immediatamente con l'errore \errcode{EAGAIN}. Anche in questo caso la sola
differenza fra le due funzioni è che la seconda non attende indefinitamente e
passato il tempo massimo \param{abs\_timeout} ritorna comunque con un errore
di \errcode{ETIMEDOUT}.

Uno dei problemi sottolineati da Stevens in \cite{UNP2}, comuni ad entrambe le
tipologie di code messaggi, è che non è possibile per chi riceve identificare
chi è che ha inviato il messaggio, in particolare non è possibile sapere da
quale utente esso provenga. Infatti, in mancanza di un meccanismo interno al
kernel, anche se si possono inserire delle informazioni nel messaggio, queste
non possono essere credute, essendo completamente dipendenti da chi lo invia.
Vedremo però come, attraverso l'uso del meccanismo di notifica, sia possibile
superare in parte questo problema.

Una caratteristica specifica delle code di messaggi POSIX è la possibilità di
usufruire di un meccanismo di notifica asincrono; questo può essere attivato
usando la funzione \funcd{mq\_notify}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{mqueue.h}
{int mq\_notify(mqd\_t mqdes, const struct sigevent *notification)}

Attiva il meccanismo di notifica per la coda \param{mqdes}.
  
\bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
  errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori: 
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EBUSY}] c'è già un processo registrato per la notifica.
    \item[\errcode{EBADF}] il descrittore non fa riferimento ad una coda di
      messaggi.
    \end{errlist}}
\end{prototype}

Il meccanismo di notifica permette di segnalare in maniera asincrona ad un
processo la presenza di dati sulla coda, in modo da evitare la necessità di
bloccarsi nell'attesa. Per far questo un processo deve registrarsi con la
funzione \func{mq\_notify}, ed il meccanismo è disponibile per un solo
processo alla volta per ciascuna coda.

Il comportamento di \func{mq\_notify} dipende dal valore dell'argomento
\param{notification}, che è un puntatore ad una apposita struttura
\struct{sigevent}, (definita in fig.~\ref{fig:struct_sigevent}) introdotta
dallo standard POSIX.1b per gestire la notifica di eventi; per altri dettagli
si può vedere quanto detto in sez.~\ref{sec:sig_timer_adv} a proposito
dell'uso della stessa struttura per la notifica delle scadenze dei
\textit{timer}.

Attraverso questa struttura si possono impostare le modalità con cui viene
effettuata la notifica nel campo \var{sigev\_notify}, che può assumere i
valori di tab.~\ref{tab:sigevent_sigev_notify}.\footnote{la pagina di manuale
  riporta soltanto i primi tre (inizialmente era possibile solo
  \const{SIGEV\_SIGNAL}).} Il metodo consigliato è quello di usare
\const{SIGEV\_SIGNAL} usando il campo \var{sigev\_signo} per indicare il quale
segnale deve essere inviato al processo. Inoltre il campo \var{sigev\_value} è
un puntatore ad una struttura \struct{sigval} (definita in
fig.~\ref{fig:sig_sigval}) che permette di restituire al gestore del segnale
un valore numerico o un indirizzo,\footnote{per il suo uso si riveda la
  trattazione fatta in sez.~\ref{sec:sig_real_time} a proposito dei segnali
  \textit{real-time}.} posto che questo sia installato nella forma estesa
vista in sez.~\ref{sec:sig_sigaction}.

La funzione registra il processo chiamante per la notifica se
\param{notification} punta ad una struttura \struct{sigevent} opportunamente
inizializzata, o cancella una precedente registrazione se è \val{NULL}. Dato
che un solo processo alla volta può essere registrato, la funzione fallisce
con \errcode{EBUSY} se c'è un altro processo già registrato.\footnote{questo
  significa anche che se si registra una notifica con \const{SIGEV\_NONE} il
  processo non la riceverà, ma impedirà anche che altri possano registrarsi
  per poterlo fare.}  Si tenga presente inoltre che alla chiusura del
descrittore associato alla coda (e quindi anche all'uscita del processo) ogni
eventuale registrazione di notifica presente viene cancellata.

La notifica del segnale avviene all'arrivo di un messaggio in una coda vuota
(cioè solo se sulla coda non ci sono messaggi) e se non c'è nessun processo
bloccato in una chiamata a \func{mq\_receive}, in questo caso infatti il
processo bloccato ha la precedenza ed il messaggio gli viene immediatamente
inviato, mentre per il meccanismo di notifica tutto funziona come se la coda
fosse rimasta vuota.

Quando un messaggio arriva su una coda vuota al processo che si era registrato
viene inviato il segnale specificato da \code{notification->sigev\_signo}, e
la coda diventa disponibile per una ulteriore registrazione.  Questo comporta
che se si vuole mantenere il meccanismo di notifica occorre ripetere la
registrazione chiamando nuovamente \func{mq\_notify} all'interno del gestore
del segnale di notifica. A differenza della situazione simile che si aveva con
i segnali non affidabili,\footnote{l'argomento è stato affrontato in
  \ref{sec:sig_semantics}.} questa caratteristica non configura una
\itindex{race~condition} \textit{race condition} perché l'invio di un segnale
avviene solo se la coda è vuota; pertanto se si vuole evitare di correre il
rischio di perdere eventuali ulteriori segnali inviati nel lasso di tempo che
occorre per ripetere la richiesta di notifica basta avere cura di eseguire
questa operazione prima di estrarre i messaggi presenti dalla coda.

L'invio del segnale di notifica avvalora alcuni campi di informazione
restituiti al gestore attraverso la struttura \struct{siginfo\_t} (definita in
fig.~\ref{fig:sig_siginfo_t}). In particolare \var{si\_pid} viene impostato al
valore del \ids{PID} del processo che ha emesso il segnale, \var{si\_uid}
all'userid effettivo, \var{si\_code} a \const{SI\_MESGQ}, e \var{si\_errno} a
0. Questo ci dice che, se si effettua la ricezione dei messaggi usando
esclusivamente il meccanismo di notifica, è possibile ottenere le informazioni
sul processo che ha inserito un messaggio usando un gestore per il segnale in
forma estesa.\footnote{di nuovo si faccia riferimento a quanto detto al
  proposito in sez.~\ref{sec:sig_sigaction} e sez.~\ref{sec:sig_real_time}.}



\subsection{Memoria condivisa}
\label{sec:ipc_posix_shm}

La memoria condivisa è stato il primo degli oggetti di IPC POSIX inserito nel
kernel ufficiale; il supporto a questo tipo di oggetti è realizzato attraverso
il filesystem \texttt{tmpfs}, uno speciale filesystem che mantiene tutti i
suoi contenuti in memoria, che viene attivato abilitando l'opzione
\texttt{CONFIG\_TMPFS} in fase di compilazione del kernel.

Per potere utilizzare l'interfaccia POSIX per la memoria condivisa la
\acr{glibc}\footnote{le funzioni sono state introdotte con la versione 2.2.}
richiede di compilare i programmi con l'opzione \code{-lrt}; inoltre è
necessario che in \file{/dev/shm} sia montato un filesystem \texttt{tmpfs};
questo di norma viene fatto aggiungendo una riga del tipo di:
\begin{verbatim}
tmpfs   /dev/shm        tmpfs   defaults        0      0
\end{verbatim}
ad \conffile{/etc/fstab}. In realtà si può montare un filesystem \texttt{tmpfs}
dove si vuole, per usarlo come RAM disk, con un comando del tipo:
\begin{verbatim}
mount -t tmpfs -o size=128M,nr_inodes=10k,mode=700 tmpfs /mytmpfs
\end{verbatim}

Il filesystem riconosce, oltre quelle mostrate, le opzioni \texttt{uid} e
\texttt{gid} che identificano rispettivamente utente e gruppo cui assegnarne
la titolarità, e \texttt{nr\_blocks} che permette di specificarne la
dimensione in blocchi, cioè in multipli di \const{PAGECACHE\_SIZE} che in
questo caso è l'unità di allocazione elementare.

La funzione che permette di aprire un segmento di memoria condivisa POSIX, ed
eventualmente di crearlo se non esiste ancora, è \funcd{shm\_open}; il suo
prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{sys/mman.h} 
  \headdecl{sys/stat.h} 
  \headdecl{fcntl.h} 

  \funcdecl{int shm\_open(const char *name, int oflag, mode\_t mode)} 

  Apre un segmento di memoria condivisa.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce un file descriptor positivo in caso di
    successo e -1 in caso di errore; nel quel caso \var{errno} assumerà gli
    stessi valori riportati da \func{open}.}
\end{functions}

La funzione apre un segmento di memoria condivisa identificato dal nome
\param{name}. Come già spiegato in sez.~\ref{sec:ipc_posix_generic} questo
nome può essere specificato in forma standard solo facendolo iniziare per
``\file{/}'' e senza ulteriori ``\file{/}''. Linux supporta comunque nomi
generici, che verranno interpretati prendendo come radice
\file{/dev/shm}.\footnote{occorre pertanto evitare di specificare qualcosa del
  tipo \file{/dev/shm/nome} all'interno di \param{name}, perché questo
  comporta, da parte delle funzioni di libreria, il tentativo di accedere a
  \file{/dev/shm/dev/shm/nome}.}

La funzione è del tutto analoga ad \func{open} ed analoghi sono i valori che
possono essere specificati per \param{oflag}, che deve essere specificato come
maschera binaria comprendente almeno uno dei due valori \const{O\_RDONLY} e
\const{O\_RDWR}; i valori possibili per i vari bit sono quelli visti in
sez.~\ref{sec:file_open_close} dei quali però \func{shm\_open} riconosce solo
i seguenti:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{2.0cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\const{O\_RDONLY}] Apre il file descriptor associato al segmento di
  memoria condivisa per l'accesso in sola lettura.
\item[\const{O\_RDWR}] Apre il file descriptor associato al segmento di
  memoria condivisa per l'accesso in lettura e scrittura.
\item[\const{O\_CREAT}] Necessario qualora si debba creare il segmento di
  memoria condivisa se esso non esiste; in questo caso viene usato il valore
  di \param{mode} per impostare i permessi, che devono essere compatibili con
  le modalità con cui si è aperto il file.
\item[\const{O\_EXCL}] Se usato insieme a \const{O\_CREAT} fa fallire la
  chiamata a \func{shm\_open} se il segmento esiste già, altrimenti esegue la
  creazione atomicamente.
\item[\const{O\_TRUNC}] Se il segmento di memoria condivisa esiste già, ne
  tronca le dimensioni a 0 byte.
\end{basedescript}

In caso di successo la funzione restituisce un file descriptor associato al
segmento di memoria condiviso con le stesse modalità di
\func{open}\footnote{in realtà, come accennato, \func{shm\_open} è un semplice
  wrapper per \func{open}, usare direttamente quest'ultima avrebbe lo stesso
  effetto.}  viste in sez.~\ref{sec:file_open_close}; in particolare viene impostato
il flag \const{FD\_CLOEXEC}.  Chiamate effettuate da diversi processi usando
lo stesso nome, restituiranno file descriptor associati allo stesso segmento
(così come, nel caso di file di dati, essi sono associati allo stesso
\itindex{inode} inode).  In questo modo è possibile effettuare una chiamata ad
\func{mmap} sul file descriptor restituito da \func{shm\_open} ed i processi
vedranno lo stesso segmento di memoria condivisa.

Quando il nome non esiste il segmento può essere creato specificando
\const{O\_CREAT}; in tal caso il segmento avrà (così come i nuovi file)
lunghezza nulla. Dato che un segmento di lunghezza nulla è di scarsa utilità,
per impostarne la dimensione si deve usare \func{ftruncate} (vedi
sez.~\ref{sec:file_file_size}), prima di mapparlo in memoria con \func{mmap}.
Si tenga presente che una volta chiamata \func{mmap} si può chiudere il file
descriptor (con \func{close}), senza che la mappatura ne risenta.

Come per i file, quando si vuole effettivamente rimuovere segmento di memoria
condivisa, occorre usare la funzione \funcd{shm\_unlink}, il cui prototipo è:
\begin{prototype}{sys/mman.h}
{int shm\_unlink(const char *name)}

Rimuove un segmento di memoria condivisa.
  
\bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di
  errore; nel quel caso \var{errno} assumerà gli stessi valori riportati da
  \func{unlink}.}
\end{prototype}

La funzione è del tutto analoga ad \func{unlink}, e si limita a cancellare il
nome del segmento da \file{/dev/shm}, senza nessun effetto né sui file
descriptor precedentemente aperti con \func{shm\_open}, né sui segmenti già
mappati in memoria; questi verranno cancellati automaticamente dal sistema
solo con le rispettive chiamate a \func{close} e \func{munmap}.  Una volta
eseguita questa funzione però, qualora si richieda l'apertura di un segmento
con lo stesso nome, la chiamata a \func{shm\_open} fallirà, a meno di non aver
usato \const{O\_CREAT}, in quest'ultimo caso comunque si otterrà un file
descriptor che fa riferimento ad un segmento distinto da eventuali precedenti.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/MemShared.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Il codice delle funzioni di gestione dei segmenti di memoria
    condivisa POSIX.}
  \label{fig:ipc_posix_shmmem}
\end{figure}

Come esempio per l'uso di queste funzioni vediamo come è possibile riscrivere
una interfaccia semplificata analoga a quella vista in
fig.~\ref{fig:ipc_sysv_shm_func} per la memoria condivisa in stile SysV. Il
codice, riportato in fig.~\ref{fig:ipc_posix_shmmem}, è sempre contenuto nel
file \file{SharedMem.c} dei sorgenti allegati.

La prima funzione (\texttt{\small 1--24}) è \func{CreateShm} che, dato un nome
nell'argomento \var{name} crea un nuovo segmento di memoria condivisa,
accessibile in lettura e scrittura, e ne restituisce l'indirizzo. Anzitutto si
definiscono (\texttt{\small 8}) i flag per la successiva (\texttt{\small 9})
chiamata a \func{shm\_open}, che apre il segmento in lettura e scrittura
(creandolo se non esiste, ed uscendo in caso contrario) assegnandogli sul
filesystem i permessi specificati dall'argomento \var{perm}. In caso di errore
(\texttt{\small 10--12}) si restituisce un puntatore nullo, altrimenti si
prosegue impostando (\texttt{\small 14}) la dimensione del segmento con
\func{ftruncate}. Di nuovo (\texttt{\small 15--16}) si esce immediatamente
restituendo un puntatore nullo in caso di errore. Poi si passa (\texttt{\small
  18}) a mappare in memoria il segmento con \func{mmap} specificando dei
diritti di accesso corrispondenti alla modalità di apertura.  Di nuovo si
restituisce (\texttt{\small 19--21}) un puntatore nullo in caso di errore,
altrimenti si inizializza (\texttt{\small 22}) il contenuto del segmento al
valore specificato dall'argomento \var{fill} con \func{memset}, e se ne
restituisce (\texttt{\small 23}) l'indirizzo.

La seconda funzione (\texttt{\small 25--40}) è \func{FindShm} che trova un
segmento di memoria condiviso già esistente, restituendone l'indirizzo. In
questo caso si apre (\texttt{\small 31}) il segmento con \func{shm\_open}
richiedendo che il segmento sia già esistente, in caso di errore
(\texttt{\small 31--33}) si ritorna immediatamente un puntatore nullo.
Ottenuto il file descriptor del segmento lo si mappa (\texttt{\small 35}) in
memoria con \func{mmap}, restituendo (\texttt{\small 36--38}) un puntatore
nullo in caso di errore, o l'indirizzo (\texttt{\small 39}) dello stesso in
caso di successo.

La terza funzione (\texttt{\small 40--45}) è \func{RemoveShm}, e serve a
cancellare un segmento di memoria condivisa. Dato che al contrario di quanto
avveniva con i segmenti del \textit{SysV-IPC} gli oggetti allocati nel kernel
vengono rilasciati automaticamente quando nessuna li usa più, tutto quello che
c'è da fare (\texttt{\small 44}) in questo caso è chiamare \func{shm\_unlink},
restituendo al chiamante il valore di ritorno.




\subsection{Semafori}
\label{sec:ipc_posix_sem}

Fino alla serie 2.4.x del kernel esisteva solo una implementazione parziale
dei semafori POSIX che li realizzava solo a livello di \itindex{thread}
\textit{thread} e non di processi,\footnote{questo significava che i semafori
  erano visibili solo all'interno dei \itindex{thread} \textit{thread} creati
  da un singolo processo, e non potevano essere usati come meccanismo di
  sincronizzazione fra processi diversi.} fornita attraverso la sezione delle
estensioni \textit{real-time} della \acr{glibc}.\footnote{quelle che si
  accedono collegandosi alla libreria \texttt{librt}.} Esisteva inoltre una
libreria che realizzava (parzialmente) l'interfaccia POSIX usando le funzioni
dei semafori di \textit{SysV-IPC} (mantenendo così tutti i problemi
sottolineati in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_sem}).

A partire dal kernel 2.5.7 è stato introdotto un meccanismo di
sincronizzazione completamente nuovo, basato sui cosiddetti
\textit{futex},\footnote{la sigla sta per \textit{fast user mode mutex}.} con
il quale è stato possibile implementare una versione nativa dei semafori
POSIX.  Grazie a questo con i kernel della serie 2.6 e le nuove versioni della
\acr{glibc} che usano questa nuova infrastruttura per quella che viene quella
che viene chiamata \textit{New Posix Thread Library}, sono state implementate
anche tutte le funzioni dell'interfaccia dei semafori POSIX.

Anche in questo caso è necessario appoggiarsi alla libreria per le estensioni
\textit{real-time} \texttt{librt}, questo significa che se si vuole utilizzare
questa interfaccia, oltre ad utilizzare gli opportuni file di definizione,
occorrerà compilare i programmi con l'opzione \texttt{-lrt}. 

La funzione che permette di creare un nuovo semaforo POSIX, creando il
relativo file, o di accedere ad uno esistente, è \funcd{sem\_open}, questa
prevede due forme diverse a seconda che sia utilizzata per aprire un semaforo
esistente o per crearne uno nuovi, i relativi prototipi sono:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{sem\_t *sem\_open(const char *name, int oflag)}
  
  \funcdecl{sem\_t *sem\_open(const char *name, int oflag, mode\_t mode,
    unsigned int value)} 

  Crea un semaforo o ne apre uno esistente.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce l'indirizzo del semaforo in caso di
    successo e \const{SEM\_FAILED} in caso di errore; nel quel caso
    \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] il semaforo esiste ma non si hanno permessi
      sufficienti per accedervi.
    \item[\errcode{EEXIST}] si sono specificati \const{O\_CREAT} e
      \const{O\_EXCL} ma il semaforo esiste.
    \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{value} eccede
      \const{SEM\_VALUE\_MAX}.
    \item[\errcode{ENAMETOOLONG}] si è utilizzato un nome troppo lungo.
    \item[\errcode{ENOENT}] non si è usato \const{O\_CREAT} ed il nome
      specificato non esiste.
    \end{errlist}    
    ed inoltre \errval{ENFILE} ed \errval{ENOMEM}.}
\end{functions}

L'argomento \param{name} definisce il nome del semaforo che si vuole
utilizzare, ed è quello che permette a processi diversi di accedere allo
stesso semaforo. Questo deve essere specificato con un \textit{pathname} nella
forma \texttt{/qualchenome}, che non ha una corrispondenza diretta con un
\textit{pathname} reale; con Linux infatti i file associati ai semafori sono
mantenuti nel filesystem virtuale \texttt{/dev/shm}, e gli viene assegnato
automaticamente un nome nella forma \texttt{sem.qualchenome}.\footnote{si ha
  cioè una corrispondenza per cui \texttt{/qualchenome} viene rimappato, nella
  creazione tramite \func{sem\_open}, su \texttt{/dev/shm/sem.qualchenome}.}

L'argomento \param{oflag} è quello che controlla le modalità con cui opera la
funzione, ed è passato come maschera binaria; i bit corrispondono a quelli
utilizzati per l'analogo argomento di \func{open}, anche se dei possibili
valori visti in sez.~\ref{sec:file_open_close} sono utilizzati soltanto
\const{O\_CREAT} e \const{O\_EXCL}.

Se si usa \const{O\_CREAT} si richiede la creazione del semaforo qualora
questo non esista, ed in tal caso occorre utilizzare la seconda forma della
funzione, in cui si devono specificare sia un valore iniziale con l'argomento
\param{value},\footnote{e si noti come così diventa possibile, differenza di
  quanto avviene per i semafori del \textit{SysV-IPC}, effettuare in maniera
  atomica creazione ed inizializzazione di un semaforo usando una unica
  funzione.} che una maschera dei permessi con l'argomento
\param{mode};\footnote{anche questo argomento prende gli stessi valori
  utilizzati per l'analogo di \func{open}, che si sono illustrati in dettaglio
  sez.~\ref{sec:file_perm_overview}.} questi verranno assegnati al semaforo
appena creato. Se il semaforo esiste già i suddetti valori saranno invece
ignorati. Usando il flag \const{O\_EXCL} si richiede invece la verifica che il
semaforo non esiste, usandolo insieme ad \const{O\_CREAT} la funzione fallisce
qualora un semaforo con lo stesso nome sia già presente.

La funzione restituisce in caso di successo un puntatore all'indirizzo del
semaforo con un valore di tipo \ctyp{sem\_t *}, è questo valore che dovrà
essere passato alle altre funzioni per operare sul semaforo stesso. Si tenga
presente che, come accennato in sez.~\ref{sec:ipc_posix_generic}, i semafori
usano la semantica standard dei file per quanto riguarda i controlli di
accesso. 

Questo significa che un nuovo semaforo viene sempre creato con l'\ids{UID} ed
il \ids{GID} effettivo del processo chiamante, e che i permessi indicati con
\param{mode} vengono filtrati dal valore della \itindex{umask} \textit{umask}
del processo.  Inoltre per poter aprire un semaforo è necessario avere su di
esso sia il permesso di lettura che quello di scrittura.

Una volta che si sia ottenuto l'indirizzo di un semaforo, sarà possibile
utilizzarlo; se si ricorda quanto detto all'inizio di
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_sem}, dove si sono introdotti i concetti generali
relativi ai semafori, le operazioni principali sono due, quella che richiede
l'uso di una risorsa bloccando il semaforo e quella che rilascia la risorsa
liberando il semaforo. La prima operazione è effettuata dalla funzione
\funcd{sem\_wait}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_wait(sem\_t *sem)}
  
  Blocca il semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione cerca di decrementare il valore del semaforo indicato dal
puntatore \param{sem}, se questo ha un valore positivo, cosa che significa che
la risorsa è disponibile, la funzione ha successo, il valore del semaforo
viene diminuito di 1 ed essa ritorna immediatamente; se il valore è nullo la
funzione si blocca fintanto che il valore del semaforo non torni
positivo\footnote{ovviamente per opera di altro processo che lo rilascia
  chiamando \func{sem\_post}.} così che poi essa possa decrementarlo con
successo e proseguire. 

Si tenga presente che la funzione può sempre essere interrotta da un segnale
(nel qual caso si avrà un errore di \const{EINTR}) e che questo avverrà
comunque, anche se si è richiesta la semantica BSD installando il relativo
gestore con \const{SA\_RESTART} (vedi sez.~\ref{sec:sig_sigaction}) per
riavviare le system call interrotte.

Della funzione \func{sem\_wait} esistono due varianti che consentono di
gestire diversamente le modalità di attesa in caso di risorsa occupata, la
prima di queste è \funcd{sem\_trywait}, che serve ad effettuare un tentativo
di acquisizione senza bloccarsi; il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_trywait(sem\_t *sem)}
  
  Tenta di bloccare il semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà gli stessi valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EAGAIN}] il semaforo non può essere acquisito senza
      bloccarsi. 
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione è identica a \func{sem\_wait} ed se la risorsa è libera ha lo
stesso effetto, vale a dire che in caso di semaforo diverso da zero la
funzione lo decrementa e ritorna immediatamente; la differenza è che nel caso
in cui il semaforo è occupato essa non si blocca e di nuovo ritorna
immediatamente, restituendo però un errore di \errval{EAGAIN}, così che il
programma possa proseguire.

La seconda variante di \func{sem\_wait} è una estensione specifica che può
essere utilizzata soltanto se viene definita la macro \macro{\_XOPEN\_SOURCE}
ad un valore di 600 prima di includere \headfile{semaphore.h}, la funzione è
\funcd{sem\_timedwait}, ed il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 

  \funcdecl{int sem\_timedwait(sem\_t *sem, const struct timespec
    *abs\_timeout)}
  
  Blocca il semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà gli stessi valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{ETIMEDOUT}] è scaduto il tempo massimo di attesa. 
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

Anche in questo caso il comportamento della funzione è identico a quello di
\func{sem\_wait}, la sola differenza consiste nel fatto che con questa
funzione è possibile impostare tramite l'argomento \param{abs\_timeout} un
tempo limite per l'attesa, scaduto il quale la funzione ritorna comunque,
anche se non è possibile acquisire il semaforo. In tal caso la funzione
fallirà, riportando un errore di \errval{ETIMEDOUT}.

La seconda funzione principale utilizzata per l'uso dei semafori è
\funcd{sem\_post}, che viene usata per rilasciare un semaforo occupato o, in
generale, per aumentare di una unità il valore dello stesso anche qualora non
fosse occupato;\footnote{si ricordi che in generale un semaforo viene usato
  come indicatore di un numero di risorse disponibili.} il suo prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_post(sem\_t *sem)}
  
  Rilascia il semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione incrementa di uno il valore corrente del semaforo indicato
dall'argomento \param{sem}, se questo era nullo la relativa risorsa risulterà
sbloccata, cosicché un altro processo (o \itindex{thread} \textit{thread})
eventualmente bloccato in una \func{sem\_wait} sul semaforo potrà essere
svegliato e rimesso in esecuzione.  Si tenga presente che la funzione è sicura
\index{funzioni!sicure} per l'uso all'interno di un gestore di segnali (si
ricordi quanto detto in sez.~\ref{sec:sig_signal_handler}).

Se invece di operare su un semaforo se ne vuole solamente leggere il valore,
si può usare la funzione \funcd{sem\_getvalue}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_getvalue(sem\_t *sem, int *sval)}
  
  Richiede il valore del semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione legge il valore del semaforo indicato dall'argomento \param{sem} e
lo restituisce nella variabile intera puntata dall'argomento
\param{sval}. Qualora ci siano uno o più processi bloccati in attesa sul
semaforo lo standard prevede che la funzione possa restituire un valore nullo
oppure il numero di processi bloccati in una \func{sem\_wait} sul suddetto
semaforo; nel caso di Linux vale la prima opzione.

Questa funzione può essere utilizzata per avere un suggerimento sullo stato di
un semaforo, ovviamente non si può prendere il risultato riportato in
\param{sval} che come indicazione, il valore del semaforo infatti potrebbe
essere già stato modificato al ritorno della funzione.

% TODO verificare comportamento sem_getvalue

Una volta che non ci sia più la necessità di operare su un semaforo se ne può
terminare l'uso con la funzione \funcd{sem\_close}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_close(sem\_t *sem)}
  
  Chiude il semaforo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] il semaforo \param{sem} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione chiude il semaforo indicato dall'argomento \param{sem}; questo
comporta che tutte le risorse che il sistema può avere assegnato al processo
nell'uso dello stesso vengono rilasciate. Questo significa che un altro
processo bloccato sul semaforo a causa della acquisizione da parte del
processo che chiama \func{sem\_close} potrà essere riavviato.

Si tenga presente poi che come per i file all'uscita di un processo tutti i
semafori che questo aveva aperto vengono automaticamente chiusi; questo
comportamento risolve il problema che si aveva con i semafori del \textit{SysV
  IPC} (di cui si è parlato in sez.~\ref{sec:ipc_sysv_sem}) per i quali le
risorse possono restare bloccate. Si tenga poi presente che, a differenza di
quanto avviene per i file, in caso di una chiamata ad \func{execve} tutti i
semafori vengono chiusi automaticamente.

Come per i semafori del \textit{SysV-IPC} anche quelli POSIX hanno una
persistenza di sistema; questo significa che una volta che si è creato un
semaforo con \func{sem\_open} questo continuerà ad esistere fintanto che il
kernel resta attivo (vale a dire fino ad un successivo riavvio) a meno che non
lo si cancelli esplicitamente. Per far questo si può utilizzare la funzione
\funcd{sem\_unlink}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_unlink(const char *name)}
  
  Rimuove il semaforo \param{name}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EACCES}] non si hanno i permessi necessari a cancellare il
      semaforo.
    \item[\errcode{ENAMETOOLONG}] il nome indicato è troppo lungo.
    \item[\errcode{ENOENT}] il semaforo \param{name} non esiste.
    \end{errlist}    
}
\end{functions}

La funzione rimuove il semaforo indicato dall'argomento \param{name}, che
prende un valore identico a quello usato per creare il semaforo stesso con
\func{sem\_open}. Il semaforo viene rimosso dal filesystem immediatamente; ma
il semaforo viene effettivamente cancellato dal sistema soltanto quando tutti
i processi che lo avevano aperto lo chiudono. Si segue cioè la stessa
semantica usata con \func{unlink} per i file, trattata in dettaglio in
sez.~\ref{sec:link_symlink_rename}.

Una delle caratteristiche peculiari dei semafori POSIX è che questi possono
anche essere utilizzati anche in forma anonima, senza necessità di fare
ricorso ad un nome sul filesystem o ad altri indicativi.  In questo caso si
dovrà porre la variabile che contiene l'indirizzo del semaforo in un tratto di
memoria che sia accessibile a tutti i processi in gioco.  La funzione che
consente di inizializzare un semaforo anonimo è \funcd{sem\_init}, il cui
prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_init(sem\_t *sem, int pshared, unsigned int value)}

  Inizializza il semaforo anonimo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{value} eccede
      \const{SEM\_VALUE\_MAX}.
    \item[\errcode{ENOSYS}] il valore di \param{pshared} non è nullo ed il
      sistema non supporta i semafori per i processi.
    \end{errlist}
}
\end{functions}

La funzione inizializza un semaforo all'indirizzo puntato dall'argomento
\param{sem}, e come per \func{sem\_open} consente di impostare un valore
iniziale con \param{value}. L'argomento \param{pshared} serve ad indicare se
il semaforo deve essere utilizzato dai \itindex{thread} \textit{thread} di uno
stesso processo (con un valore nullo) o condiviso fra processi diversi (con un
valore non nullo).

Qualora il semaforo debba essere condiviso dai \itindex{thread}
\textit{thread} di uno stesso processo (nel qual caso si parla di
\textit{thread-shared semaphore}), occorrerà che \param{sem} sia l'indirizzo
di una variabile visibile da tutti i \itindex{thread} \textit{thread}, si
dovrà usare cioè una \index{variabili!globali} variabile globale o una
variabile allocata dinamicamente nello \itindex{heap} \textit{heap}.

Qualora il semaforo debba essere condiviso fra più processi (nel qual caso si
parla di \textit{process-shared semaphore}) la sola scelta possibile per
renderlo visibile a tutti è di porlo in un tratto di memoria condivisa. Questo
potrà essere ottenuto direttamente sia con \func{shmget} (vedi
sez.~\ref{sec:ipc_sysv_shm}) che con \func{shm\_open} (vedi
sez.~\ref{sec:ipc_posix_shm}), oppure, nel caso che tutti i processi in gioco
abbiano un genitore comune, con una mappatura anonima con \func{mmap} (vedi
sez.~\ref{sec:file_memory_map}),\footnote{si ricordi che i tratti di memoria
  condivisa vengono mantenuti nei processi figli attraverso la funzione
  \func{fork}.} a cui essi poi potranno accedere.

Una volta inizializzato il semaforo anonimo con \func{sem\_init} lo si potrà
utilizzare nello stesso modo dei semafori normali con \func{sem\_wait} e
\func{sem\_post}. Si tenga presente però che inizializzare due volte lo stesso
semaforo può dar luogo ad un comportamento indefinito. 

Una volta che non si intenda più utilizzare un semaforo anonimo questo può
essere eliminato dal sistema; per far questo di deve utilizzare una apposita
funzione, \funcd{sem\_destroy}, il cui prototipo è:
\begin{functions}
  \headdecl{semaphore.h} 
  
  \funcdecl{int sem\_destroy(sem\_t *sem)}

  Elimina il semaforo anonimo \param{sem}.
  
  \bodydesc{La funzione restituisce 0 in caso di successo e $-1$ in caso di
    errore; nel quel caso \var{errno} assumerà i valori:
    \begin{errlist}
    \item[\errcode{EINVAL}] il valore di \param{value} eccede
      \const{SEM\_VALUE\_MAX}.
    \end{errlist}
}
\end{functions}

La funzione prende come unico argomento l'indirizzo di un semaforo che deve
essere stato inizializzato con \func{sem\_init}; non deve quindi essere
applicata a semafori creati con \func{sem\_open}. Inoltre si deve essere
sicuri che il semaforo sia effettivamente inutilizzato, la distruzione di un
semaforo su cui sono presenti processi (o \itindex{thread} \textit{thread}) in
attesa (cioè bloccati in una \func{sem\_wait}) provoca un comportamento
indefinito.

Si tenga presente infine che utilizzare un semaforo che è stato distrutto con
\func{sem\_destroy} di nuovo può dare esito a comportamenti indefiniti.  Nel
caso ci si trovi in una tale evenienza occorre reinizializzare il semaforo una
seconda volta con \func{sem\_init}.

Come esempio di uso sia della memoria condivisa che dei semafori POSIX si sono
scritti due semplici programmi con i quali è possibile rispettivamente
monitorare il contenuto di un segmento di memoria condivisa e modificarne il
contenuto. 

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/message_getter.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del programma
    \file{message\_getter.c}.}
  \label{fig:ipc_posix_sem_shm_message_server}
\end{figure}

Il corpo principale del primo dei due, il cui codice completo è nel file
\file{message\_getter.c} dei sorgenti allegati, è riportato in
fig.~\ref{fig:ipc_posix_sem_shm_message_server}; si è tralasciata la parte che
tratta la gestione delle opzioni a riga di comando (che consentono di
impostare un nome diverso per il semaforo e il segmento di memoria condivisa)
ed il controllo che al programma venga fornito almeno un argomento, contenente
la stringa iniziale da inserire nel segmento di memoria condivisa.

Lo scopo del programma è quello di creare un segmento di memoria condivisa su
cui registrare una stringa, e tenerlo sotto osservazione stampando la stessa
una volta al secondo. Si utilizzerà un semaforo per proteggere l'accesso in
lettura alla stringa, in modo che questa non possa essere modificata
dall'altro programma prima di averla finita di stampare.

La parte iniziale del programma contiene le definizioni (\texttt{\small 1--8})
del gestore del segnale usato per liberare le risorse utilizzate, delle
\index{variabili!globali} variabili globali contenenti i nomi di default del
segmento di memoria condivisa e del semaforo (il default scelto è
\texttt{messages}), e delle altre variabili utilizzate dal programma.

Come prima istruzione (\texttt{\small 10}) si è provveduto ad installare un
gestore di segnale che consentirà di effettuare le operazioni di pulizia
(usando la funzione \func{Signal} illustrata in
fig.~\ref{fig:sig_Signal_code}), dopo di che (\texttt{\small 10--16}) si è
creato il segmento di memoria condivisa con la funzione \func{CreateShm} che
abbiamo appena trattato in sez.~\ref{sec:ipc_posix_shm}, uscendo con un
messaggio in caso di errore. 

Si tenga presente che la funzione \func{CreateShm} richiede che il segmento
non sia già presente e fallirà qualora un'altra istanza, o un altro programma
abbia già allocato un segmento con quello stesso nome. Per semplicità di
gestione si è usata una dimensione fissa pari a 256 byte, definita tramite la
costante \texttt{MSGMAXSIZE}.

Il passo successivo (\texttt{\small 17--21}) è quello della creazione del
semaforo che regola l'accesso al segmento di memoria condivisa con
\func{sem\_open}; anche in questo caso si gestisce l'uscita con stampa di un
messaggio in caso di errore. Anche per il semaforo, avendo specificato la
combinazione di flag \code{O\_CREAT|O\_EXCL} come secondo argomento, si esce
qualora fosse già esistente; altrimenti esso verrà creato con gli opportuni
permessi specificati dal terzo argomento, (indicante lettura e scrittura in
notazione ottale). Infine il semaforo verrà inizializzato ad un valore nullo
(il quarto argomento), corrispondete allo stato in cui risulta bloccato.

A questo punto (\texttt{\small 23}) si potrà inizializzare il messaggio posto
nel segmento di memoria condivisa usando la stringa passata come argomento al
programma. Essendo il semaforo stato creato già bloccato non ci si dovrà
preoccupare di eventuali \itindex{race~condition} \textit{race condition}
qualora il programma di modifica del messaggio venisse lanciato proprio in
questo momento.  Una volta inizializzato il messaggio occorrerà però
rilasciare il semaforo (\texttt{\small 25--28}) per consentirne l'uso; in
tutte queste operazioni si provvederà ad uscire dal programma con un opportuno
messaggio in caso di errore.

Una volta completate le inizializzazioni il ciclo principale del programma
(\texttt{\small 29--47}) viene ripetuto indefinitamente (\texttt{\small 29})
per stampare sia il contenuto del messaggio che una serie di informazioni di
controllo. Il primo passo (\texttt{\small 30--34}) è quello di acquisire (con
\func{sem\_getvalue}, con uscita in caso di errore) e stampare il valore del
semaforo ad inizio del ciclo; seguito (\texttt{\small 35--36}) dal tempo
corrente.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/HandSigInt.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Codice del gestore di segnale del programma
    \file{message\_getter.c}.}
  \label{fig:ipc_posix_sem_shm_message_server_handler}
\end{figure}

Prima della stampa del messaggio invece si deve acquisire il semaforo
(\texttt{\small 31--34}) per evitare accessi concorrenti alla stringa da parte
del programma di modifica. Una volta eseguita la stampa (\texttt{\small 41})
il semaforo dovrà essere rilasciato (\texttt{\small 42--45}). Il passo finale
(\texttt{\small 46}) è attendere per un secondo prima di eseguire da capo il
ciclo. 

Per uscire in maniera corretta dal programma sarà necessario interromperlo con
il break da tastiera (\texttt{C-c}), che corrisponde all'invio del segnale
\signal{SIGINT}, per il quale si è installato (\texttt{\small 10}) una
opportuna funzione di gestione, riportata in
fig.~\ref{fig:ipc_posix_sem_shm_message_server_handler}. La funzione è molto
semplice e richiama le funzioni di rimozione sia per il segmento di memoria
condivisa che per il semaforo, garantendo così che possa essere riaperto
ex-novo senza errori in un futuro riutilizzo del comando.

\begin{figure}[!htbp]
  \footnotesize \centering
  \begin{minipage}[c]{\codesamplewidth}
    \includecodesample{listati/message_setter.c}
  \end{minipage} 
  \normalsize 
  \caption{Sezione principale del codice del programma
    \file{message\_setter.c}.}
  \label{fig:ipc_posix_sem_shm_message_setter}
\end{figure}

Il secondo programma di esempio è \file{message\_setter.c}, di cui si è
riportato il corpo principale in
fig.~\ref{fig:ipc_posix_sem_shm_message_setter},\footnote{al solito il codice
  completo è nel file dei sorgenti allegati.} dove si è tralasciata, non
essendo significativa per quanto si sta trattando, la parte relativa alla
gestione delle opzioni a riga di comando e degli argomenti, che sono identici
a quelli usati da \file{message\_getter}, con l'unica aggiunta di un'opzione
``\texttt{-t}'' che consente di indicare un tempo di attesa (in secondi) in
cui il programma si ferma tenendo bloccato il semaforo.

Una volta completata la gestione delle opzioni e degli argomenti (ne deve
essere presente uno solo, contenente la nuova stringa da usare come
messaggio), il programma procede (\texttt{\small 10--14}) con l'acquisizione
del segmento di memoria condivisa usando la funzione \func{FindShm} (trattata
in sez.~\ref{sec:ipc_posix_shm}) che stavolta deve già esistere.  Il passo
successivo (\texttt{\small 16--19}) è quello di aprire il semaforo, e a
differenza di \file{message\_getter}, in questo caso si richiede a
\func{sem\_open} che questo esista, passando uno zero come secondo ed unico
argomento.

Una volta completate con successo le precedenti inizializzazioni, il passo
seguente (\texttt{\small 21--24}) è quello di acquisire il semaforo, dopo di
che sarà possibile eseguire la sostituzione del messaggio (\texttt{\small 25})
senza incorrere in possibili \itindex{race~condition} \textit{race condition}
con la stampa dello stesso da parte di \file{message\_getter}.

Una volta effettuata la modifica viene stampato (\texttt{\small 26}) il tempo
di attesa impostato con l'opzione ``\texttt{-t}'' dopo di che (\texttt{\small
  27}) viene eseguita la stessa, senza rilasciare il semaforo che resterà
quindi bloccato (causando a questo punto una interruzione delle stampe
eseguite da \file{message\_getter}). Terminato il tempo di attesa si rilascerà
(\texttt{\small 29--32}) il semaforo per poi uscire.

Per verificare il funzionamento dei programmi occorrerà lanciare per primo
\file{message\_getter}\footnote{lanciare per primo \file{message\_setter} darà
  luogo ad un errore, non essendo stati creati il semaforo ed il segmento di
  memoria condivisa.} che inizierà a stampare una volta al secondo il
contenuto del messaggio ed i suoi dati, con qualcosa del tipo:
\begin{Console}
piccardi@hain:~/gapil/sources$  \textbf{./message_getter messaggio}
sem=1, Fri Dec 31 14:12:41 2010
message: messaggio
sem=1, Fri Dec 31 14:12:42 2010
message: messaggio
...
\end{Console}
%$
proseguendo indefinitamente fintanto che non si prema \texttt{C-c} per farlo
uscire. Si noti come il valore del semaforo risulti sempre pari ad 1 (in
quanto al momento esso sarà sempre libero). 

A questo punto si potrà lanciare \file{message\_setter} per cambiare il
messaggio, nel nostro caso per rendere evidente il funzionamento del blocco
richiederemo anche una attesa di 3 secondi, ed otterremo qualcosa del tipo:
\begin{Console}
piccardi@hain:~/gapil/sources$ \textbf{./message_setter -t 3 ciao}
Sleeping for 3 seconds
\end{Console}
%$
dove il programma si fermerà per 3 secondi prima di rilasciare il semaforo e
terminare. 

L'effetto di questo programma si potrà però apprezzare meglio nell'uscita di
\file{message\_getter}, che verrà interrotta per questo stesso tempo, prima di
ricominciare con il nuovo testo:
\begin{Console}
...
sem=1, Fri Dec 31 14:16:27 2010
message: messaggio
sem=1, Fri Dec 31 14:16:28 2010
message: messaggio
sem=0, Fri Dec 31 14:16:29 2010
message: ciao
sem=1, Fri Dec 31 14:16:32 2010
message: ciao
sem=1, Fri Dec 31 14:16:33 2010
message: ciao
...
\end{Console}
%$

E si noterà come nel momento in cui si è lanciato \file{message\_setter} le
stampe di \file{message\_getter} si bloccheranno, come corretto, dopo aver
registrato un valore nullo per il semaforo.  Il programma infatti resterà
bloccato nella \func{sem\_wait} (quella di riga (\texttt{\small 37}) in
fig.~\ref{fig:ipc_posix_sem_shm_message_server}) fino alla scadenza
dell'attesa di \file{message\_setter} (con l'esecuzione della \func{sem\_post}
della riga (\texttt{\small 29}) di
fig.~\ref{fig:ipc_posix_sem_shm_message_setter}), e riprenderanno con il nuovo
testo alla terminazione di quest'ultimo.


% LocalWords:  like fifo System POSIX RPC Calls Common Object Request Brocker
% LocalWords:  Architecture descriptor kernel unistd int filedes errno EMFILE
% LocalWords:  ENFILE EFAULT BUF sez fig fork Stevens siblings EOF read SIGPIPE
% LocalWords:  EPIPE shell CGI Gateway Interface HTML JPEG URL mime type gs dup
% LocalWords:  barcode PostScript race condition stream BarCodePage WriteMess
% LocalWords:  size PS switch wait popen pclose stdio const char command NULL
% LocalWords:  EINVAL cap fully buffered Ghostscript l'Encapsulated epstopsf of
% LocalWords:  PDF EPS lseek ESPIPE PPM Portable PixMap format pnmcrop PNG pnm
% LocalWords:  pnmmargin png BarCode inode filesystem l'inode mknod mkfifo RDWR
% LocalWords:  ENXIO deadlock client reinviate fortunes fortunefilename daemon
% LocalWords:  FortuneServer FortuneParse FortuneClient pid libgapil  LD librt
% LocalWords:  PATH linker pathname ps tmp killall fortuned crash socket domain
% LocalWords:  socketpair BSD sys protocol sv EAFNOSUPPORT EPROTONOSUPPORT AF
% LocalWords:  EOPNOTSUPP SOCK Process Comunication ipc perm key exec
% LocalWords:  header ftok proj stat libc SunOS glibc XPG dell'inode number uid
% LocalWords:  cuid cgid gid tab MSG shift group umask seq MSGMNI SEMMNI SHMMNI
% LocalWords:  shmmni msgmni sem sysctl IPCMNI IPCTestId msgget EACCES EEXIST
% LocalWords:  CREAT EXCL EIDRM ENOENT ENOSPC ENOMEM novo proc MSGMAX msgmax ds
% LocalWords:  MSGMNB msgmnb linked list msqid msgid linux msg qnum lspid lrpid
% LocalWords:  rtime ctime qbytes first last cbytes msgctl semctl shmctl ioctl
% LocalWords:  cmd struct buf EPERM RMID msgsnd msgbuf msgp msgsz msgflg EAGAIN
% LocalWords:  NOWAIT EINTR mtype mtext long message sizeof LENGTH ts sleep BIG
% LocalWords:  msgrcv ssize msgtyp NOERROR EXCEPT ENOMSG multiplexing select ls
% LocalWords:  poll polling queue MQFortuneServer write init HandSIGTERM  l'IPC
% LocalWords:  MQFortuneClient mqfortuned mutex risorse' inter semaphore semget
% LocalWords:  nsems SEMMNS SEMMSL semid otime semval sempid semncnt semzcnt nr
% LocalWords:  SEMVMX SEMOPM semop SEMMNU SEMUME SEMAEM semnum union semun arg
% LocalWords:  ERANGE SETALL SETVAL GETALL array GETNCNT GETPID GETVAL GETZCNT
% LocalWords:  sembuf sops unsigned nsops UNDO flg nsop num undo pending semadj
% LocalWords:  sleeper scheduler running next semundo MutexCreate semunion lock
% LocalWords:  MutexFind wrapper MutexRead MutexLock MutexUnlock unlock locking
% LocalWords:  MutexRemove shmget SHMALL SHMMAX SHMMIN shmid shm segsz atime FD
% LocalWords:  dtime lpid cpid nattac shmall shmmax SHMLBA SHMSEG EOVERFLOW brk
% LocalWords:  memory shmat shmdt void shmaddr shmflg SVID RND RDONLY rounded
% LocalWords:  SIGSEGV nattch exit SharedMem ShmCreate memset fill ShmFind home
% LocalWords:  ShmRemove DirMonitor DirProp chdir GaPiL shmptr ipcs NFS
% LocalWords:  ComputeValues ReadMonitor touch SIGTERM dirmonitor unlink fcntl
% LocalWords:  LockFile UnlockFile CreateMutex FindMutex LockMutex SETLKW GETLK
% LocalWords:  UnlockMutex RemoveMutex ReadMutex UNLCK WRLCK RDLCK mapping MAP
% LocalWords:  SHARED ANONYMOUS thread patch names strace system call userid Di
% LocalWords:  groupid Michal Wronski Krzysztof Benedyczak wrona posix mqueue
% LocalWords:  lmqueue gcc mount mqd name oflag attr maxmsg msgsize receive ptr
% LocalWords:  send WRONLY NONBLOCK close mqdes EBADF getattr setattr mqstat to
% LocalWords:  omqstat curmsgs flags timedsend len prio timespec abs EMSGSIZE
% LocalWords:  ETIMEDOUT timedreceive getaddr notify sigevent notification l'I
% LocalWords:  EBUSY sigev SIGNAL signo value sigval siginfo all'userid MESGQ
% LocalWords:  Konstantin Knizhnik futex tmpfs ramfs cache shared swap CONFIG
% LocalWords:  lrt blocks PAGECACHE TRUNC CLOEXEC mmap ftruncate munmap FindShm
% LocalWords:  CreateShm RemoveShm LIBRARY Library libmqueue FAILED has
% LocalWords:  ENAMETOOLONG qualchenome RESTART trywait XOPEN SOURCE timedwait
% LocalWords:  process getvalue sval execve pshared ENOSYS heap PAGE destroy it
% LocalWords:  xffffffff Arrays owner perms Queues used bytes messages device
% LocalWords:  Cannot find such Segments getter Signal MSGMAXSIZE been stable
% LocalWords:  for now it's break Berlin sources Let's an accidental feature
% LocalWords:  Larry Wall Escape the Hell William ipctestid Identifier segment
% LocalWords:  violation dell'I SIGINT setter Fri Dec Sleeping seconds


%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: