Основы программирования в Linux

Текст добавлен: 21 сентября 2016, 17:59

Текст книги "Основы программирования в Linux"

Автор книги: Нейл Мэтью

Соавторы: Ричард Стоунс

Жанры:

ОС и Сети

сообщить о нарушении

Текущая страница: 57 (всего у книги 67 страниц)

Назад к карточке книги

select

Очень часто при разработке приложений Linux вам может понадобиться проверка состояния ряда вводов для того, чтобы определить следующее предпринимаемое действие. Например, программа обмена данными, такая как эмулятор терминала, нуждается в эффективном способе одновременного чтения с клавиатуры и с последовательного порта. В однопользовательской системе подойдет цикл «активного ожидания», многократно просматривающий ввод в поиске данных и читающий их, как только они появятся. Такое поведение очень расточительно в отношении времени ЦП.

Системный вызов select позволяет программе ждать прибытия данных (или завершения вывода) одновременно на нескольких низкоуровневых файловых дескрипторах. Это означает, что программа эмулятора терминала может блокироваться до тех пор, пока у нее не появится работа. Аналогичным образом сервер может иметь дело с многочисленными клиентами, ожидая запросы одновременно на многих открытых сокетах.

Функция select оперирует структурами данных fd_set, представляющими собой множества открытых файловых дескрипторов. Для обработки этих множеств определен набор макросов:

#include #include

void FD_ZERO(fd_set *fdset);

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

Как и предполагается в соответствии с их именами, макрос FD_ZERO инициализирует структуру fd_set пустым множеством, FD_SET и FD_CLR задают и очищают элементы множества, соответствующего файловому дескриптору, переданному как параметр fd, а макрос FD_ISSET возвращает ненулевое значение, если файловый дескриптор, на который ссылается fd, является элементом структуры fd_set, на которую указывает параметр fdset. Максимальное количество файловых дескрипторов в структуре типа fd_set задается константой FD_SETDIZE.

Функция select может также использовать значение для времени ожидания, чтобы помешать бесконечной блокировке. Это значение задается с помощью структуры struct timeval. Она определена в файле sys/time.h и содержит следующие элементы:

struct timeval {

time_t tv_sec; /* Секунды */

long tv_usec; /* Микросекунды */

}

Тип time_t, определенный в файле sys/types.h, – целочисленный. Системный вызов select объявляется следующим образом:

#include

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,

fd_set *errorfds, struct timeval *timeout);

Вызов select позволяет проверить, не готов ли хотя бы один из множества файловых дескрипторов к чтению или записи, или находится ли в ожидании из-за состояния ошибки и может быть заблокирован до момента готовности одного из дескрипторов.

Аргумент nfds задает количество проверяемых файловых дескрипторов, имеются в виду дескрипторы от 0 до nfds-1. Каждое из трех множеств дескрипторов может оказаться пустым указателем, тогда связанный с ним тест не выполняется.

Функция select вернет управление, если какой-либо из дескрипторов в множестве readfds готов к чтению, какой-нибудь дескриптор из множества writefds готов к записи или у одного из дескрипторов множества errorfd есть состояние ошибки. Если ни одно из условий не соблюдается, select вернет управление после промежутка времени, заданного timeout. Если параметр timeout – пустой указатель и нет активности на сокетах, вызов может быть заблокирован на неопределенное время.

Когда select возвращает управление программе, множества дескрипторов будут модифицированы для того, чтобы указать на готовые к чтению или записи или имеющие ошибки дескрипторы. Для их проверки следует использовать макрос FD_ISSET, позволяющий определить, какие дескрипторы требуют внимания. Можно изменить значение timeout для того, чтобы показать время, остающееся до следующего превышения времени ожидания, но такое поведение не задано стандартом X/Open. При превышении времени ожидания все множества дескрипторов будут очищены.

Вызов select возвращает общее количество дескрипторов в модифицированных множествах. В случае сбоя он вернет -1 и установит значение переменной errno, описывающее ошибку. Возможные ошибки – EBADF для неверных дескрипторов, EINTR для возврата из-за прерывания и EINVAL для некорректных значений параметров nfds или timeout.

Примечание

Несмотря на то, что Linux модифицирует структуру, на которую указывает timeout, фиксируя оставшееся неиспользованное время, большинство версий UNIX этого не делают. Большая часть существующего программного кода, применяющего функцию select, инициализирует структуру типа timeval и затем продолжает использовать ее без обновления содержимого. В системе Linux этот код может выполняться некорректно, поскольку ОС Linux изменяет структуру timeval при каждом истечении отведенного времени ожидания. Если вы пишете или переносите программный код, использующий функцию select, следует учитывать эту разницу и всегда повторно инициализировать время ожидания. Имейте в виду, что оба подхода корректны, они просто разные!

Выполните упражнение 15.8.

Упражнение 15.8. Функция `select`

Далее для демонстрации применения функции select приведена программа select.c. Более сложный пример вы увидите чуть позже. Программа читает данные с клавиатуры (стандартный ввод – дескриптор 0) со временем ожидания 2,5 секунды. Данные читаются только тогда, когда ввод готов. Естественно расширить программу, включив в зависимости от характера приложения другие дескрипторы, такие как последовательные каналы (serial lines) и сокеты.

1. Начните как обычно с директив include и объявлений, а затем инициализируйте inputs для обработки ввода с клавиатуры:

#include

int main() {

char buffer[128];

int result, nread;

fd_set inputs, testfds;

struct timeval timeout;

FD_ZERO(&inputs);

FD_SET(0, &inputs);

2. Подождите ввод из файла stdin в течение максимум 2,5 секунд:

while(1) {

testfds = inputs;

timeout.tv_sec = 2;

timeout.tv_usec = 500000;

result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)NULL,

(fd_set*)NULL, &timeout);

3. Спустя это время проверьте result. Если ввода не было, программа выполнит цикл еще раз. Если в нем возникла ошибка, программа завершается:

switch(result) {

case 0:

printf(«timeoutn»);

break;

case -1:

perror(«select»);

exit(1);

4. Если во время ожидания у вас наблюдаются некоторые действия, связанные с файловым дескриптором, читайте ввод из stdin и выводите его при каждом получении символа EOL (конец строки), до нажатой комбинации клавиш +:

default:

if (FD_ISSET(0, &testfds)) {

ioctl(0, FIONREAD, &nread);

if (nread == 0) {

printf(«keyboard donen»);

exit(0);

}

nread = read(0, buffer, nread);

buffer[nread] = 0;

printf(«read %d from keyboard: %s», nread, buffer);

}

break;

}

Во время выполнения эта программа каждые две с половиной секунды выводит строку timeout. Если вы набираете данные на клавиатуре, она читает файл стандартного ввода и отображает то, что было набрано. В большинстве командных оболочек ввод направляется в программу при нажатии пользователем клавиши (или ) или клавиш управляющей последовательности, поэтому программа будет отображать ввод каждый раз, когда вы нажимаете клавишу . Учтите, что сама клавиша тоже читается и обрабатывается как любой другой символ (попробуйте выполнить ввод без нажатия клавиши, введя ряд символов, за которыми следует комбинация +).

$ ./select

timeout

hello

read 6 from keyboard: hello

fred

read 5 from keyboard: fred

timeout

^D

keyboard done

$

Как это работает

Программа применяет вызов select для проверки состояния стандартного ввода. За счет корректировки значения времени ожидания программа каждые 2,5 секунды выводит сообщение об истечении времени ожидания. О нем свидетельствует возвращение 0 функцией select. При достижении конца файла дескриптор стандартного ввода помечается флагом как готовый к вводу, но при этом нет символов, предназначенных для считывания.

Множественные клиенты

Ваша простая серверная программа может выиграть от применения select для одновременной обработки множественных клиентов, не прибегая к помощи дочерних процессов. Используя этот метод в реальных приложениях, вы должны следить за тем, чтобы другие клиенты не ждали слишком долго, пока вы обрабатываете первого подключившегося клиента.

Сервер может применять функцию select одновременно к сокету, ожидающему запросы на подключение, и к сокетам клиентских соединений. Как только активность зафиксирована, можно использовать макрос FD_ISSET для проверки в цикле всех возможных файловых дескрипторов и выявления активных среди них.

Если сокет, ожидающий запросов на подключение, готов к вводу, это означает, что клиент пытается подсоединиться, и вы можете вызывать функцию accept без риска блокировки. Если клиентский дескриптор указывает на готовность, это означает, что есть запрос клиента, ждущий, что вы сможете прочесть и обработать его. Чтение 0 байтов означает, что клиентский процесс завершился, и вы можете закрыть сокет и удалить его из множества своих дескрипторов.

Выполните упражнение 15.9.

Упражнение 15.9. Улучшенное клиент-серверное приложение

1. В финальный пример программы server5.с вы включите заголовочные файлы sys/time.h и sys/ioctl.h вместо signal.h, использованного в предыдущей программе, и объявите несколько дополнительных переменных для работы с вызовом select:

#include

int main() {

int server_sockfd, client_sockfd;

int server_len, client_len;

struct sockaddr_in server_address;

struct sockaddr_in client_address;

int result;

fd_set readfds, testfds;

2. Создайте сокет для сервера и присвойте ему имя:

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

server_address.sin_family = AF_INET;

server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

server_address.sin_port = htons(9734);

server_len = sizeof(server_address);

bind(serversockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);

3. Создайте очередь запросов на соединение и инициализируйте множество readfds для обработки ввода с сокета server_sockfd:

listen(server_sockfd, 5);

FD_ZERO(&readfds);

FD_SET(server_sockfd, &readfds);

4. Теперь ждите запросы от клиентов. Поскольку вы передали пустой указатель как параметр timeout, не будет наступать истечения времени ожидания. Программа завершится и сообщит об ошибке, если select возвращает значение, меньшее 1.

while(1) {

char ch;

int fd;

int nread;

testfds = readfds;

printf(«server waitingn»);

result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)0,

(fd_set *)0, (struct timeval *)0);

if (result < 1) {

perror(«server5»);

exit(1);

}

5. После того как вы определили, что есть активность, можно выяснить, какой из дескрипторов активен, проверяя каждый из них по очереди с помощью макроса FD_ISSET:

for (fd = 0; fd < FD_SETSIZE; fd++) {

if (FD_ISSET(fd, &testfds)) {

6. Если зафиксирована активность на server_sockfd, это может быть запрос на новое соединение, и вы добавляете в множество дескрипторов соответствующий client_sockfd:

if (fd == server_sockfd) {

client_len = sizeof(client_address);

client_sockfd = accept(server_sockfd,

(struct sockaddr*)&client_address, &client_len);

FD_SET(client_sockfd, &readfds);

printf(«adding client on fd %dn», client_sockfd);

}

Если активен не сервер, значит, активность проявляет клиент. Если получен close, клиент исчезает, и можно удалить его из множества дескрипторов. В противном случае вы «обслуживаете» клиента, как и в предыдущих примерах.

else {

ioctl(fd, FIONREAD, &nread);

if (nread == 0) {

close(fd);

FD_CLR(fd, &readfds);

printf(«removing client on fd %dn», fd);

} else {

read(fd, &ch, 1);

sleep(5);

printf(«serving client on fd %dn», fd);

ch++;

write(fd, &ch, 1);

}

Примечание
В реальную программу было бы неплохо вставить переменную, содержащую наибольший подключенный номер fd (необязательно самый последний подключенный номер fd). Это помешает просмотру в цикле тысяч номеров fd, которые даже не подсоединены и потенциально не могут быть готовы к чтению. Мы пропустили этот фрагмент кода для краткости и простоты примера.

При запуске этой версии сервера многочисленные клиенты будут обрабатываться последовательно в единственном процессе.

$ ./server5 &

[1] 26686

server waiting

$ ./client3 & ./client3 & ./client3 & ps x

[2] 26689

[3] 26690

adding client on fd 4

server waiting

[4] 26691

PID TTY STAT TIME COMMAND

26686 pts/1 S 0:00 ./server5

26689 pts/1 S 0:00 ./client3

26690 pts/1 S 0:00 ./client3

26691 pts/1 S 0:00 ./client3

26692 pts/1 R+ 0:00 ps x

$ serving client on fd 4

server waiting

adding client on fd 5

server waiting

adding client on fd 6

char from server = В

serving client on fd 5

server waiting

removing client on fd 4

char from server = В

serving client on fd 6

server waiting

removing client on fd 5

server waiting

char from server = В

removing client on fd 6

server waiting

[2] Done ./client3

[3]– Done ./client3

[4]+ Done ./client3

Для полноты аналогии, упомянутой в начале главы, в табл. 15.5 приведены параллели между соединениями на базе сокетов и телефонными переговорами.

Таблица 15.5


Звонок в компанию по номеру 555-0828	Подключение к IP-адресу 127.0.0.1
Ответ на звонок секретаря приемной	Установка соединения с `remote host`
Просьба соединить с финансовым отделом.	Маршрутизация с помощью заданного порта (9734)
Ответ на звонок администратора финансового отдела	Вызов `select` вернул управление серверу
Звонок переадресован свободному менеджеру по работе с корпоративными заказчиками	Сервер вызывает `accept`, создавая новый сокет на добавочный номер 456

Дейтаграммы

В этой главе мы сосредоточились на программировании приложений, поддерживающих связь со своими клиентами с помощью TCP-соединений на базе сокетов. Существуют ситуации, в которых затраты на установку и поддержку соединения с помощью сокетов излишни.

Хорошим примером может служить сервис daytime, использованный ранее в программе getdate.c. Вы создаете сокет, выполняете соединение, читаете единственный ответ и разрываете соединение. Столько операций для простого получения даты!

Сервис daytime так же доступен с помощью UDP-соединений, применяющих дейтаграммы. Для того чтобы воспользоваться им, просто пошлите сервису одну дейтаграмму и получите в ответ единственную дейтаграмму, содержащую дату и время. Все просто.

Сервисы, предоставляемые по UDP-протоколу, применяются в тех случаях, когда клиенту нужно создать короткий запрос к серверу, и он ожидает единственный короткий ответ. Если стоимость времени процессора достаточно низкая, сервер способен обеспечить такой сервис, обрабатывая запросы клиентов по одному и разрешая операционной системе хранить очередь входящих запросов. Такой подход упрощает программирование сервера.

Поскольку UDP – не дающий гарантий сервис, вы можете столкнуться с потерей вашей дейтаграммы или ответа сервера. Если данные важны для вас, возможно, придется тщательно программировать ваших UDP-клиентов, проверяя ошибки и при необходимости повторяя попытки. На практике в локальных сетях UDP-дейтаграммы очень надежны.

Для доступа к сервису, обеспечиваемому UDP-протоколом, вам следует применять системные вызовы socket и close, но вместо использования вызовов read и write для сокета вы применяете два системных вызова, характерных для дейтаграмм: sendto и recvfrom.

Далее приведена модифицированная версия программы getdate.c, которая получает дату с помощью сервиса UDP-дейтаграмм. Изменения по сравнению с предыдущей версией выделены цветом.

/* Начните с обычных include и объявлений. */

#include

int main(int argc, char *argv[]) {

char *host;

int sockfd;

int len, result;

struct sockaddr_in address;

struct hostent *hostinfo;

struct servent *servinfo;

char buffer[128];

if (argc == 1) host = «localhost»;

else host = argv[1];

/* Ищет адрес хоста и сообщает об ошибке, если не находит. */

hostinfo = gethostbyname(host);

if (!hostinfo) {

fprintf(stderr, «no host: %sn», host);

exit(1);

}

/* Проверяет наличие на компьютере сервиса daytime. */

servinfo = getservbyname(«daytime», «udp»);

if (!servinfo) {

fprintf(stderr, «no daytime servicen»);

exit(1);

}

printf(«daytime port is %dn», ntohs(servinfo->s_port));

/* Создает UDP-сокет. */

sockfd = socket(AF_INEТ, SOCK_DGRAM, 0);

/* Формирует адрес для использования в вызовах sendto/recvfrom... */

address.sin_family = AF_INET;

address.sin_port = servinfo->s_port;

address.sin_addr = *(struct in_addr*)*hostinfo->h_addr_list;

len = sizeof(address);

result = sendto(sockfd, buffer, 1, 0, (struct sockaddr *)&address, len);

result = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,

(struct sockaddr *)&address, &len);

buffer [result] = '';

printf(«read %d bytes: %s», result, buffer);

close(sockfd);

exit(0);

}

Как видите, необходимы лишь незначительные изменения. Как и раньше, вы ищете сервис daytime с помощью вызова getservbyname, но задаете дейтаграммный сервис, запрашивая UDP-протокол. Дейтаграммный сокет создается с помощью вызова socket с параметром SOCK_DGRAM. Адрес назначения задается, как и раньше, но теперь вместо чтения из сокета вы должны послать дейтаграмму.

Поскольку вы не устанавливаете явное соединение с сервисами на базе UDP, у вас должен быть способ оповещения сервера о том, что вы хотите получить ответ. В данном случае вы посылаете дейтаграмму (в нашем примере вы отправляете один байт из буфера, в который вы хотите получить ответ) сервису и он посылает в ответ дату и время.

Системный вызов sendto отправляет дейтаграмму из буфера на сокет, используя адрес сокета и длину адреса. У этого вызова фактически следующий прототип:

int sendto(int sockfd, void *buffer, size_t len, int flags,

struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

В случае обычного применения параметр flags можно оставлять нулевым.

Системный вызов recvfrom ожидает дейтаграмму в соединении сокета с заданным адресом и помещает ее в буфер. У этого вызова следующий прототип:

int recvfrom(int sockfd, void *buffer, size_t len, int flags,

struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

И снова в случае обычного применения параметр flags можно оставлять нулевым.

Для упрощения примера мы пропустили обработку ошибок. Оба вызова, sendto и recvfrom, в случае возникновения ошибки вернут -1 и присвоят переменной errno соответствующее значение. Возможные ошибки перечислены в табл. 15.6.

Таблица 15.6

`errno`
`EBADF`	Был передан неверный файловый дескриптор
`EINTR`	Появился сигнал

Если сокет не был определен как неблокирующийся с помощью вызова fcntl (как вы видели ранее для TCP-соединений), вызов recvfrom будет заблокирован на неопределенное время. Но сокет можно использовать с помощью вызова select и времени ожидания, позволяющих определить, поступили ли данные, так же, как в случае серверов с устанавливаемыми соединениями. В противном случае можно применить сигнал тревоги для прерывания операции получения данных (см. главу 11).

Резюме

В этой главе мы предложили еще один способ взаимодействия процессов – сокеты. Они позволяют разрабатывать по-настоящему распределенные клиент-серверные приложения, которые выполняются в сетевой среде. Было дано краткое описание некоторых информационных функций базы данных сетевых узлов и способы обработки в системе Linux стандартных системных сервисов с помощью интернет-демонов. Вы проработали ряд примеров клиент-серверных программ, демонстрирующих обработку и сетевую организацию множественных клиентов.

В заключение вы познакомились с системным вызовом select, позволяющим уведомлять программу об активности ввода и вывода сразу на нескольких открытых файловых дескрипторах и сокетах.

Глава 16
Программирование в GNOME с помощью GTK+

До сих пор в этой книге мы обсуждали основные методы программирования в ОС Linux, касающиеся сложной внутренней начинки. Теперь же пора вдохнуть жизнь в наши приложения и узнать, как включить в них графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI). В этой главе и в главе 17 мы собираемся рассмотреть две самые популярные библиотеки GUI для ОС Linux: GTK+ и KDE/Qt. Эти библиотеки соответствуют двум популярнейшим интегрированным средам рабочего стола Linux: GNOME (GTK+) и KDE.

Все библиотеки GUI в Linux размещены поверх низкоуровневой оконной системы, называемой X Window System (чаще X11 или просто X), поэтому, прежде чем вдаваться в подробности среды GNOME/GTK+, мы приведем обзор основных принципов работы системы X и поможем понять, как различные слои оконной системы пригоняются один к другому для создания того, что мы называем рабочим столом.

В этой главе обсуждаются следующие темы:

□ система X Window System;

□ введение в среду GNOME/GTK+;

□ виджеты или интерфейсные элементы окна GTK+;

□ виджеты и меню среды GNOME;

□ диалоговые окна;

□ GUI базы данных компакт-дисков с использованием GNOME/GTK+.

Назад к карточке книги "Основы программирования в Linux"