+
+
+\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 thread e non di
+processi,\footnote{questo significava che i semafori erano visibili solo
+ all'interno dei 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} delle
+\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 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 delle
+\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{EACCESS}] 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 pathname nella forma
+\texttt{/qualchenome}, che non ha una corrispondenza diretta con un 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} 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'user-ID ed il
+group-ID effettivo del processo chiamante, e che i permessi indicati con
+\param{mode} vengono filtrati dal valore della \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 \texttt{semaphore.h}, la funzione è
+\func{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 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{EACCESS}] 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:file_link}.
+
+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} 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} 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} thread, si dovrà usare cioè una variabile globale o una
+variabile allocata dinamicamente nello \itindex{heap} 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 indenda più utilizzare un semaforo anonimo questo può
+essere eliminato da 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 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}.
+
+
projects / gapil.git / blobdiff