Объектно-ориентированные каналы и FIFO-очереди как базовые элементы низкого уровня

Приступая к разработке объектноориентированных каналов, начнем с рассмотрения базовых характеристик и поведения каналов в целом. Канал представляет собой средство взаимодействия между несколькими процессами. Для того чтобы процессы могли взаимодействовать, необходимо обеспечить между ними передачу информации определенного вида. Эта информация может представлять данные или команды, предназначенные для выполнения. Обычно такая информация преобразуется в последовательность данных и помещается в канал, а затем считывается процессом с другого конца канала. При считывании из канала данные снова преобразуются, чтобы обрести смысл для считывающего процесса. В любом случае при передаче от одного процесса другому эти данные должны где-то храниться. Мы называем область хранения информации буфером данных. Для размещения данных в этом буфере и извлечения их оттуда необходимо выполнять соответствующие операции. Но прежде чем говорить о выполнении таких операций, необходимо позаботиться о существовании самого буфера данных. Объектно-ориентированный канал должен обладать средствами, которые поддерживают операции создания и инициализации буфера данных. После завершения взаимодействия между процессами буфер данных, используемый для хранения информации, становится ненужным. Это означает, что наш объектно-ориентированный канал должен «уметь» удалять буфер данных после его использования. Из этого «введения в каналы» вырисовываются по крайней мере пять основных компонентов, которыми должен обладать объектно-ориентированный канал:

• буфер;

• операция вставки данных в буфер;

• операция извлечения данных из буфера;

• операция создания/инициализации буфера;

• операция ликвидации буфера.

Помимо этих пяти базовых компонентов, канал должен иметь два конца. Один конец предназначен для вставки данных, а другой — для их извлечения. К этим двум концам могут получать доступ различные процессы. Чтобы наше описание канала было полным, мы должны включить в него порт ввода и порт вывода, к которым могут подключаться различные процессы. В результате мы получаем уже семь базовых компонентов, составляющих описание нашего объектно-ориентированного канала:

• порт ввода;

• порт вывода;

• буфер;

• операция вставки данных в буфер;

• операция извлечения данных из буфера;

• операция соз д ания/инициализации буфера;

• операция ликви д ации буфера.

Эти компоненты образуют минимальный набор характеристик, составляющих описание канала. Уточнив базовые компоненты, можно поразмыслить о том, как при разработке объектно-ориентированного канала лучше всего использовать существующие системные API-интерфейсы или структуры данных. В разработке каналов попробуем для начала применить те же методы (инкапсуляцию и перегрузку операторов), которые мы использовали при разработке класса pvm_stream.

Обратите внимание на то, что пять из семи выше перечисленных базовых компонентов являются общими лля многих основных структур данных и типов контейнеров, которые обычно используются для операций ввода-вывода. В большинстве случаев UNDC/Linux-средства работы с файлами поддерживают:

• буферы;

• операции вставки данных в буфер;

• операции извлечения данных из буфера;

• операции создания буфера;

• операции удаления буфера.

Для инкапсуляции функций, предоставляемых системными UNIX/Linux-службами, мы используем понятие интерфейсных С++-классов и создаем объектно-ориентированные версии сервисных функций ввода-вывода. Если в случае с классом pvm_stream для библиотеки PVM нам приходилось начинать «с нуля», то здесь мы можем воспользоваться преимуществами существующей стандартной библиотеки С++ и библиотеки классов iostreams. Вспомните, что библиотека классов iostreams поддерживает объектно-ориентированную модель потоков ввода и вывода. Более того, эта объектно-ориентированнал библиотека оснащена поддержкой буферизации данных и всех операций, связанных с использованием буфера. На рис. 11.7 показана простая диаграмма класса basic_iostream.

Основные компоненты класса basic_iostream можно описать тремя видами классов: компонент буфера, компонент преобразования и компонент состояния [23]. Компонент буфера используется в качестве области промежуточного хранения байтов информации. Компонент преобразования отвечает за перевод анонимных последовательностей байтов в значения и структуры данных соответствующих типов, а также за перевод структур данных и отдельных значений в анонимные последовательности байтов. Компонент преобразования отвечает за обеспечение программиста потоковым представлением байтов, в котором все операции ввода-вывода независимо от источника и приемника обрабатываются как поток байтов. Компонент состояния инкапсулирует состояние объектно-ориентированного потока и позволяет определить, какой тип форматирования применим к байтам данных, которые содержатся в компоненте буфера. Компонент состояния также содержит информацию отом, в каком режиме был открыт поток: дозаписи, создания, монопольного чтения, монопольной записи, а также о том, будут ли числа интерпретироваться как шестна-дцатеричные, восьмеричные или двоичные. Компонент состояния также можно использовать для определения состояния ошибки операций ввода-вывода, выполняемых над компонентом буфера. Опросив этот компонент, программист может определить, в каком состоянии находится буфер, условно говоря, в хорошем или плохом. Эти три компонента представляют собой объекты, которые можно использовать совместно (для формирования полнофункционального объектноориентированного потока) или в отдельности (в качестве вспомогательных объектов в других задачах).

Пять из семи базовых компонентов нашего потока уже реализованы в библиотеке классов iostreams. Поэтому нам остается лишь дополнить их компонентами портов ввода и вывода. Для этого мы можем рассмотреть системные средства поддержки потоков. В среде UNIX/Linux создать канал можно с помощью вызовов системных функций (листинг 11.19).

// Листинг 11.19. Использование системного вызова для

// создания канала

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

//...

int Fd[2];

pipe(Fd);

//...

}

Функция pipe () предназначена для создания структуры данных канала, которую можно использовать для взаимодействия между родительским и сыновним процессами. При успешном обращении к функции pipe () она возвращает два дескриптора файла. (Дескрипторы файлов представляют собой целые значения, которые используются для идентификации успешно открытых файлов.) В этом случае дескрипторы сохраняются в массиве Fd. Элемент Fd[0] используется при открытии файла для чтения, а элемент Fd[1] — при открытии файла для записи. После создания эти два дескриптора файлов можно использовать при вызове функций read() и write(). Функция write() обеспечивает вставку данных в канал посредством дескриптора Fd[1], а функция read() — извлечение данных из канала посредством дескриптора Fd[0]. Поскольку функция pipe () возвращает дескрипторы файлов, доступ к каналу можно получить с помощью системных средств работы с файлами. Для определения максимально возможного количества доступных дескрипторов файлов, открытых одним процессом, можно использовать системную функцию sysconf(_SC_OPEN_MAX), адля определения размера канала — функцию pathconf(_PC_PIPE_BUF).

Эти два файловых дескриптора представляют наши логические порты ввода и вывода соответственно. Мы также используем их для связи с библиотекой классов iostreams. В частности, они обеспечивают связь с классом буфера. Ко м понент буфера iostreams-классов имеет три семейства классов. Эти три типа буферных классов перечислены в табл. 11.3.

Таблица 11.3. Три типа буферных классов

basic_streambuf Описывает поведение различных потоковых буферов с целью управления входными и выходными последовательностями символов

basic_stringbuf Связывает входные и выходные последовательности с последовательностью произвольных символов, которая может быть использо-ванадля инициализации или доступна в качестве строкового объекта

basic_filebuf Связывает входные и выходные последовательности символов с файлом

Рассмотрим подробнее класс basic_filebuf. Тогда как класс basic_streambuf используется в качестве объектно-ориентированного буфера в операциях ввода-вывода с применением стандартного потока, а класс basic_stringbuf — в качестве объектно-ориентированного буфера для памяти, класс basic_filebuf применяется в качестве объектно-ориентированного буфера для файлов. Рассмотрев интерфейс для класса basic_filebuf и интерфейс для классов преобразования (basic_ifstream, basic_ofstream и basic_fstream), можно найти способ связать дескрипторы файлов, возвращаемые системной функцией pipe (), с объектами класса basic_iostream. На рис. 11.8 показаны диаграммы классов для семейства fstream-классов.

Обратите вни м ание на то, что все классы basic_ifstream, basic_ofstream и basic_fstream содержат класс basic_filebuf. Следовательно, чтобы упростить создание объектно-ориентированного канала, мы можем использовать любой класс из семейства fstream-классов. Мы можем связать дескрипторы файлов, возвращаемые системной функцией pipe(), либо с помощью конструкторов, либо с помощью функции-члена attach().