イイ!! プログラミング Blog

共有メモリとは

共有メモリはその名の通り、複数のプロセスで共有できるメモリである。
プロセス間通信(IPC)に利用される。
親プロセス、子プロセス、無関係なプロセス、どの関係であってもデータの共有が可能。

共有メモリの操作には下記のシステムコールを利用する。

サンプルプログラム

shm_receiver.c

shmを生成し、１秒置きに、shmの中身を画面に表示する。shmの中身が「end」になると、終了する。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> /* strcpy */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main(void)
{
    int  id;
    char *adr;

    /* IPC_PRIVATEを指定すると、新規にshmが生成される。*/
    if((id = shmget(IPC_PRIVATE, 512, IPC_CREAT|0666)) == -1){
        perror("shmget");
        exit(-1);
    }

    printf("共有メモリID = %d\n",id);

    /* char形で取得 */
    if(( adr = (char *)shmat(id, NULL, 0)) == (void *)-1){
        perror("shmat");
    } else {
        strcpy(adr,"Initial");
        /* 1秒ごとに出力 */
        while(1){
            printf("%s\n",adr);
            /* 「end」で終了 */
            if (strcmp(adr, "end") == 0) {
                break;
            }
            sleep(1);
        }

        if(shmdt(adr)==-1){
            perror("shmdt");
        }
    }

    /* shmの破壊をする */
    if(shmctl(id, IPC_RMID, 0)==-1){
        perror("shmctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

shm_writer.c

コマンドラインから与えられた文字列をshmにコピーする。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> /* strcpy */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

    if( argc <= 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: shm_writer shm_id string\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    id = atoi(argv[1]);

    if(( adr = (char *)shmat(id,0,0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
    } else {
        strcpy(adr, argv[2]);
        fprintf(stderr, "written.\n");
        if( shmdt(adr) == -1) {
            perror("shmdt");
        }
    }
}

実行例

参考文献

詳解UNIXプログラミング

例解UNIXプログラミング教室

C言語によるUNIXシステムプログラミング入門

参考URL

• コンピューター：C言語講座：共有メモリについて http://www.ncad.co.jp/~komata/c-kouza13.htm
• Manpage of SHMGET http://www.linux.or.jp/JM/html/LDP_man-pages/man2/shmget.2.html
• Manpage of SHMCTL http://www.linux.or.jp/JM/html/LDP_man-pages/man2/shmctl.2.html

構築環境

FreeBSD 4.10-RELEASE

regex.h

C言語で正規表現を使うにはregex.hをincludeします。
具体的に利用する関数はregcomp(), regexec(), regfree()関数の３つです。

regcomp() 関数

regexec() 関数

regfree()関数

正規表現サンプルコード

カンマ区切りの文字列から、数値を取り出す。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <regex.h>

int main() {
     char str[] = "123, 456, 789";
     regex_t preg;
     size_t nmatch = 5;
     regmatch_t pmatch[nmatch];
     int i, j;

     if (regcomp(&preg, "([[:digit:]]+), ([[:digit:]]+), ([[:digit:]]+)", REG_EXTENDED|REG_NEWLINE) != 0) {
         printf("regex compile failed.\n");
         exit(1);
     }

     printf("String = %s\n", str);

     if (regexec(&preg, str, nmatch, pmatch, 0) != 0) {
         printf("No match.\n");
     } else {
         for (i = 0; i < nmatch; i++) { /* nmatch にマッチした件数が入る */
             printf("Match position = %d, %d , str = ", (int)pmatch[i].rm_so, (int)pmatch[i].rm_eo);
             if (pmatch[i].rm_so >= 0 && pmatch[i].rm_eo >= 0) {
                 for (j = pmatch[i].rm_so ; j < pmatch[i].rm_eo; j++) {
                     putchar(str[j]);
                 }
             }
             printf("\n");
         }
     }

     regfree(&preg);
     return 0;
}

実行結果

参考文献

正規表現ポケットリファレンス

詳説 正規表現

プログラミング言語C

参考URL

• regex.hの使い方 http://sometime.minidns.net/~ccgi/posix_regex.html
• regex Tips http://www.sip.eee.yamaguchi-u.ac.jp/kou/regex.html
• Manpage of REGCOMP http://www.linux.or.jp/JM/html/LDP_man-pages/man3/regex.3.html

alarm()関数を利用してSIGALRMシグナルを一定時間後に送信することができる。
SIGALRMをキャッチしない場合は、プロセスは終了する。SIGALRM以外のシグナルについては[C言語]シグナルをキャッチする サンプルコードを参照。

サンプルコード

#include <stdio.h>
#include <stdib.h> /* exit */
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void sigcatch(int);

int main() {

    /* Set handler to SIGALRM */
    if (SIG_ERR == signal(SIGALRM, sigcatch)) {
        printf("failed to set signal handler.\n");
    }

    /* 5 seconds after, send signal */
    alarm(5);

    while (1) {
    }

    return 0;
}

void sigcatch(int sig) {
    printf("catch signal %d\n", sig);

    if (sig == SIGALRM) {
        printf("catch SIGALRM and exit.\n");
        exit(1);
    }
}

実行結果

参考文献

入門UNIXシェルプログラミング

いますぐ始めるLinuxのC言語

これならわかるC 入門の入門

参考URL

• MAN PAGE of ALARM
  http://voyager.ise.osaka-sandai.ac.jp/JM/html/LDP_man-pages/man2/alarm.2.html
• MAN PAGE of UALRM
  http://www.linux.or.jp/JM/html/LDP_man-pages/man3/ualarm.3.html

実行環境

Linux Ubuntu 2.6.24, gcc version 4.2.3

シグナルとは

いわゆる「割り込み」の１つ。動いてるプロセスに対して、他のプロセスから信号を送ることが出来る。

代表的なシグナル

signal キャッチ

C言語で、signalをキャッチするには、signal()関数で、シグナルハンドラーを設定する。

「signalを受け取った時に実行する関数」のことを、一般的に「signalハンドラー」と呼ぶ。
シグナルハンドラーは、1つのintを引数に、戻り値はvoidでなければならない。

signal キャッチ サンプル

HUPをうけとると、無限ループしているプログラムを終了させる。
サーバのような、駐屯型のプログラムはこのようにシグナルで終了する仕組になっている。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void sigcatch(int);

int main() {
    if (SIG_ERR == signal(SIGHUP, sigcatch)) {
        printf("failed to set signal handler.n");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

void sigcatch(int sig) {
    printf("catch signal %dn", sig);
    exit(1);
}

シグナルを送る

参考文献

ふつうのLinuxプログラミング

UNIXコマンドのソースコードにみる実践プログラミング手法

新版 明解C言語 入門編

サーバの仕組みとスレッド

通常、Webサーバなどは親プロセスがポートをListenし、接続があったら、子プロセスを生成し、その後の(クライアントへのデータ送信等の)処理は、子プロセスに任せるというフローをとる。

そうすることで、親プロセスはクライアントへデータ送信が終わるのを待つ必要がなくなり、どんどん接続を受けることが可能になる。
接続数が多くなると、当然、子プロセスが多くなり、サーバへの過負荷となる。

そこで、子プロセスではなく、スレッドでクライアントの処理を行うと負荷低減につながる((スレッドの生成は子プロセスの生成より軽量))

echoサーバのPOSIXスレッド化

[C言語]Socket間通信 echoサーバを作るで作成したechoサーバにptheadを組み込み、複数クライアントに対して同時処理ができるように改良する。POSIXスレッドについて知りたければ、まずは[C言語]POSIXスレッドプログラミングを参照。

課題

• １回の通信が終わっても、Listenし続けるように変更する
• threadで返答を返すよう変更する

コード

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> /* socket(), bind(), listen(), accept(), recv() */
#include <netinet/in.h> /* htons() */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>     /* exit() */
#include <pthread.h>    /* pthread_create(), pthread_detach() */

#define PORT    8823    /* Listenするポート */
#define MAXDATA 1024    /* 受信バッファサイズ */

void reply(void *);

int main(void)
{
    struct sockaddr_in saddr;
    struct sockaddr_in caddr;

    int listen_fd;
    int conn_fd;

    int len = sizeof(struct sockaddr_in);

    pthread_t worker;

    /* ソケットの生成 */
    if ((listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /*
     * saddrの中身を0にしておかないと、bind()でエラーが起こることがある
     */
    bzero((char *)&saddr, sizeof(saddr));

    /* ソケットにアドレスとポートを結びつける */
    saddr.sin_family        = PF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr   = INADDR_ANY;
    saddr.sin_port          = htons(PORT);
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&saddr, len) < 0) {
        perror("bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* ポートをListenする */
    if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Start Listening Port : %d...\n", PORT);

    while (1) {
        /* 接続要求を受け付ける */
        if ((conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&caddr, &len)) < 0) {
            perror("accept");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        /* スレッドの生成 */
        if (pthread_create( &worker, NULL, (void *)reply, (void *)conn_fd) != 0) {
            perror("pthread_create");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        pthread_detach(worker);
    }
    /* Listeningソケットを閉じる */
    close(listen_fd);

}

void reply(void *fd) {
    int conn_fd = (int)fd;

    int rsize;
    char buf[MAXDATA]; /* 受信バッファ */

    /* 送信されたデータの読み出し */
    do {
        rsize = recv(conn_fd, buf, MAXDATA, 0);

        if (rsize == 0) { /* クラアイントが接続を切ったとき */
                break;
        } else if (rsize == -1) {
                perror("recv");
                exit(EXIT_FAILURE);
        } else {
                write(conn_fd, buf, rsize);
        }
    } while (1);

    if ( close(conn_fd) < 0) {
        perror("close");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Connection closed.\n");
}

ポイント

• スレッドにする部分を関数にする
• 生成したスレッドをdetach状態にする
• while(1)ループでListenし続ける

参考文献

マスタリングTCP/IP 入門編

マスタリングTCP/IP 応用編

マルチコアCPUのための並列プログラミング

参考URL

Pthreadによる複数クライアントに対するサービスの同時提供
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/coins/syspro-2004/2004-05-10/echo-server-pthread.html
4.2 どうしてソケットがクローズしてくれないのでしょうか?
http://www.kt.rim.or.jp/~ksk/sock-faq/unix-socket-faq-ja-4.html#ss4.2

構築環境

FreeBSD 4.10-RELEASE

pthread ライブラリを使った、簡単なスレッドの実装例です。

POSIXスレッド とは

ポジックススレッドと読む。Pthreadと呼ばれることが多い。Pthreadを使うにはpthreadライブラリが必要である。
コンパイル時には「-pthread」オプションを使う((「-lpthread」の場合もある))。

スレッドのメリット/デメリット

スレッドと似た仕組みとして、fork()による子プロセスの生成があるが、スレッドを使うことによる利点がある。
かなりザックリとまとめると、
メリット

• fork()より高速
• fork()よりスレッドを使うApache2のほうがスケーラビリティが高い

デメリット

• スレッド間の同期処理が面倒
• 利用するライブラリがスレッドに対応している必要がある

サンプルプログラム

こちらから引用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void *print_message_function( void *ptr );

main()
{
     pthread_t thread1, thread2;
     char *message1 = "Thread 1";
     char *message2 = "Thread 2";
     int  iret1, iret2;

    /* Create independant threads each of which will execute function */

     iret1 = pthread_create( &thread1, NULL, print_message_function, (void*) message1);
     iret2 = pthread_create( &thread2, NULL, print_message_function, (void*) message2);

     /* Wait till threads are complete before main continues. Unless we  */
     /* wait we run the risk of executing an exit which will terminate   */
     /* the process and all threads before the threads have completed.   */

     pthread_join( thread1, NULL);
     pthread_join( thread2, NULL); 

     printf("Thread 1 returns: %d\n",iret1);
     printf("Thread 2 returns: %d\n",iret2);
     exit(0);
}

void *print_message_function( void *ptr )
{
     char *message;
     message = (char *) ptr;
     printf("%s \n", message);
}

実行結果

参考文献

Pthreadsプログラミング

Pスレッドプログラミング

参考URL

スレッド・プログラミング
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/coins/dsys-1998/1999-01-19/pthread.html
YoLinux Tutorial: POSIX thread (pthread) libraries
http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html
スレッドを用いるメリット
http://mikilab.doshisha.ac.jp/dia/research/person/yoshiki/06.html
Manpage OF PTHREAD_CREATE
http://www.linux.or.jp/JM/html/glibc-linuxthreads/man3/pthread_create.3.html
Manpage OF PTHREAD_JOIN
http://www.linux.or.jp/JM/html/glibc-linuxthreads/man3/pthread_join.3.html
Manpage OF PTHREAD_DETACH
http://www.linux.or.jp/JM/html/glibc-linuxthreads/man3/pthread_detach.3.html

構築環境

FreeBSD 4.10-RELEASE

C言語でのHTTPクライアントの実装例です。
以下の手順でリモートのサーバと通信し、データを取得します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> /* bzero */

#include <sys/types.h> /* netinet/in.h */
#include <sys/socket.h> /* AF_INET */
#include <netinet/in.h> /* sockaddr_in */
#include <netdb.h> /* gethostbyname */
#include <sys/uio.h>
#include <sys/param.h>
#include <unistd.h>

#define  DESTSERV "localhost"
#define  DESTPORT 80
#define  MESSAGE  "GET / HTTP/1.0\r\nHOST: localhost\r\n\r\n"
#define  BUF_LEN  1024

int main() {

    struct hostent *hostent;
    struct sockaddr_in server;

    int fd;

    char buf[BUF_LEN]; /* receive buffer */

    hostent = gethostbyname(DESTSERV); /* lookup IP */
    if (hostent == NULL ) {
        fprintf(stderr, "Cannot resolve %s.\n", DESTSERV);
        return 0;
    }

    bzero(&server, sizeof(server)); /* zero clear struct */

    server.sin_family = AF_INET;
    /* server.sin_addr = hostent->h_addr */
    bcopy(hostent->h_addr, &server.sin_addr, hostent->h_length);
    server.sin_port = htons(DESTPORT);

    if ( ( fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) ) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot make socket.\n");
        return 0;
    }
    if ( connect(fd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
        fprintf(stderr, "Cannot connect.\n");
        return 0;
    }

    write(fd, MESSAGE, strlen(MESSAGE));

    /* Receive data */
    while (read(fd, buf, BUF_LEN) > 0) {
        printf("%s", buf);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

サーバ側の実装例については、「C言語でSocket間通信 echoサーバを作る」に記載しています。

参考書籍

猫でもわかるネットワークプログラミング

UNIXネットワークプログラミング入門

ネットワークを通して、データをやりとりするためには、Socketに対して、読み書きをします。
C言語による、Socket間通信は、下記のような手順になります。

実際に文字列を単純にクライアントに返すだけのプログラム（echoサーバ）を書いて見ます。
ちなみに、本コードでは、1回やりとりが終わると、サーバプロセスも終了します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>     /* exit() */
#include <string.h>     /* bzero() */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> /* socket(), bind(), listen(), accept(), recv() */
#include <netinet/in.h> /* htons() */
#include <unistd.h>

#define PORT    8823    /* Listenするポート */
#define MAXDATA 1024    /* 受信バッファサイズ */

int main(void)
{
    struct sockaddr_in saddr; /* サーバ用アドレス格納構造体 */
    struct sockaddr_in caddr; /* クライアント用アドレス格納構造体 */

    int listen_fd;
    int conn_fd;

    int len = sizeof(struct sockaddr_in);

    int rsize;
    char buf[MAXDATA]; /* 受信バッファ */

    /* ソケットの生成 */
    if ((listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /*
      * saddrの中身を0にしておかないと、bind()でエラーが起こることがある
     */
    bzero((char *)&saddr, sizeof(saddr));

    /* ソケットにアドレスとポートを結びつける */
    saddr.sin_family        = PF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr   = INADDR_ANY;
    saddr.sin_port          = htons(PORT);
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&saddr, len) < 0) {
        perror("bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* ポートをListenする */
    if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Start Listening Port : %d...\n", PORT);

 /* 接続要求を受け付ける */
    if ((conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&caddr, &len)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* Listeningソケットを閉じる */
    close(listen_fd);

    /* 送信されたデータの読み出し */
    do {
        rsize = recv(conn_fd, buf, MAXDATA, 0);

        if (rsize == 0) { /* クラアイントが接続を切ったとき */
                break;
        } else if (rsize == -1) {
                perror("recv");
                exit(EXIT_FAILURE);
        } else {
                write(conn_fd, buf, rsize);
        }
    } while (1);

    if ( close(conn_fd) < 0) {
        perror("close");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Connection closed.\n");
    return 0;
}

実行方法

別のターミナルで

参考URL

• ソケットインタフェースとクライアント・サーバプログラミング
  http://www.kuis.kyoto-u.ac.jp/isle/le2/socket.html
• C言語によるUNIXネットワークプログラミング
  http://www.ueda.info.waseda.ac.jp/~toyama/network/

参考書籍

猫でもわかるネットワークプログラミング

UNIXネットワークプログラミング入門