Práctica3: Programación POSIX - uco.esi02samoj/docencia/pas/practica-POSIX.pdf · Entre otras cosas, el estándar ... compilar y ejecutarse sinproblemasen cualquier sistema operativo

Praacutectica3 Programacioacuten POSIXProgramacioacuten y Administracioacuten de Sistemas

2011-2012

Javier Saacutenchez Monederojsanchezmucoes

2o curso de Grado en Ingenieriacutea InformaacuteticaDepartamento de Informaacutetica y Anaacutelisis Numeacuterico

Escuela Politeacutecnica SuperiorUniversidad de Coacuterdoba

26 de octubre de 2012

ResumenEntre otras cosas el estaacutendar POSIX define una serie de funciones (comportamiento

paraacutemetros y valores devueltos) que deben proporcionar todos los sistemas operativosque quieran satisfacer el estaacutendar De esta forma si una aplicacioacuten hace un buen uso deestas funciones deberaacute compilar y ejecutarse sin problemas en cualquier sistema operativoPOSIX En esta praacutectica vamos a conocer queacute es el estaacutendar POSIX y una implementa-cioacuten de la biblioteca C de POSIX la biblioteca libre GNU C Library o glibc En Moodle seadjunta el fichero pas-practica3tgz que contiene coacutedigo de ejemplo de las funcio-nes que iremos viendo en clase

Iacutendice

1 Introduccioacuten a POSIX 2

2 Objetivos 4

3 Entrega de praacutecticas 4

4 Documentacioacuten de POSIX y las bibliotecas 4

5 Procesado de liacutenea de comandos tipo POSIX 451 Introduccioacuten y documentacioacuten 452 Ejercicios 5

6 Variables de entorno 561 Introduccioacuten y documentacioacuten 562 Ejercicios 6

1

2 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

7 Obtencioacuten de informacioacuten de un usuarioa 671 Introduccioacuten y documentacioacuten 672 Ejercicios 6

8 Ejercicio resumen 1 (05 punto) 7

9 Creacioacuten de procesos Fork y Exec 791 Introduccioacuten y documentacioacuten 792 Ejercicios y ejemplos 8

10 Sentildeales entre procesos 11101 Introduccioacuten y documentacioacuten 11102 Ejercicios y ejemplos 11

11 sockets POSIX 12111 Introduccioacuten y conceptos baacutesicos 12112 Algoritmo baacutesico Cliente-Servidor 13113 Pasos de programacioacuten C en el lado Servidor 14114 Pasos de programacioacuten C en el lado Cliente 14

12 Todo junto un servidor web baacutesico en C 15121 Introduccioacuten y coacutedigo 15122 Ejercicios 16

13 Ejercicio resumen 2 (1 punto) 17

14 Trabajo futuro 18

Referencias 18

1 Introduccioacuten a POSIX

Figura 1 Mascota delproyecto GNU (httpwwwgnuorg)

POSIX es el acroacutenimo de Portable Operating System Interface la Xviene de UNIX como sentildea de identidad de la API (Application Pro-gramming Interface interfaz de programacioacuten de aplicaciones) Son unafamilia de estaacutendares de llamadas al sistema operativo definidospor el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Institutode Ingenieros Eleacutectricos y Electroacutenicos) y especificados formalmenteen el IEEE 1003 Persiguen generalizar las interfaces de los sistemasoperativos para que una misma aplicacioacuten pueda ejecutarse en dis-tintas plataformas Estos estaacutendares surgieron de un proyecto denormalizacioacuten de las API y describen un conjunto de interfaces deaplicacioacuten adaptables a una gran variedad de implementaciones desistemas operativos [1] La uacuteltima versioacuten de la especificacioacuten POSIX es del antildeo 2008 se cono-ce por ldquoPOSIX1-2008rdquo ldquoIEEE Std 10031-2008rdquo y por ldquoThe Open Group Technical StandardBase Specifications Issue 7rdquo[2]

1 Introduccioacuten a POSIX 3

Figura 2 Dennis MacAlistair Ritchie Colaboroacute en el disentildeo y desarrollo de los sistemasoperativos Multics y Unix asiacute como el desarrollo de varios lenguajes de programacioacuten comoel C tema sobre el cual escribioacute un ceacutelebre claacutesico de las ciencias de la computacioacuten junto aBrian Wilson Kernighan El lenguaje de programacioacuten C [4]

GNU C Library comuacutenmente conocida como glibc es la biblioteca estaacutendar de lenguajeC de GNU Se distribuye bajo los teacuterminos de la licencia GNU LGPL Esta biblioteca siguetodos los estaacutendares maacutes relevantes como ISO C99 y POSIX1-2008 [3] gnulib tambieacutenconocida como ldquoBiblioteca de portabilidad de GNUrdquo es una coleccioacuten de subrutinas disentildea-das para usarse en distintos sistemas operativos y arquitecturas El objetivo de esta segundabiblioteca es facilitar el desarrollo multi-plataforma de aplicaciones de software libre

Figura 3 GNU + Linux = GNULinux

En los sistemas en los que se usan estasbibliotecas de C proporcionan y definen lasllamadas al sistema y otras funciones baacutesi-cas y son utilizadas por casi todos los pro-gramas Sobre todo es muy usada en los sis-temas GNU y en el kernel de Linux Cuan-do hablamos de Linux como sistema opera-tivo completo debemos referirnos a eacutel comoldquoGNULinuxrdquo para reconocer que el siste-

ma lo compone tanto el nuacutecleo Linux como las bibliotecas de C y otras herramientas deGNU que hacen posible Linux1

glibc y gnulib son muy portables y soportan gran cantidad de plataformas de hardwa-re [5] En los sistemas Linux se instalan normalmente con el nombre de libc6 y gnulibrespectivamente No debe confundirse con GLib2 otra biblioteca que proporciona estruc-turas de datos avanzadas como aacuterboles listas enlazadas tablas hash etc y un entorno deorientacioacuten a objetos en C

En estas praacutecticas utilizaremos la biblioteca glibc como implementacioacuten de programa-

1httpeswikipediaorgwikiControversia_por_la_denominaciC3B3n_GNULinux2httplibrarygnomeorgdevelglib

4 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

cioacuten del API POSIX Algunas distribuciones de GNULinux como Debian o Ubuntu utilizanuna variante de la glibc llamada eglibc3 pero a efectos de programacioacuten no deberiacutea ha-ber diferencias

2 Objetivos

Conocer algunas rutinas POSIX y su implementacioacuten glibc

Aprender a utilizar bibliotecas externas en nuestros programas

Aprender coacutemo funcionan internamente algunas partes de GNULinux

Mejorar la programacioacuten viendo ejemplos hechos por los desarrolladores de las biblio-tecas

Aprender a comunicar aplicaciones en red y conocer brevemente la arquitectura Cliente-Servidor

3 Entrega de praacutecticas

Se pediraacute la entrega y defensa de algunos ejercicios resuacutemenes que integren varios de losconceptos y funciones estudiadas en clase Las praacutecticas deben realizarse a nivel individualy se utilizaraacuten mecanismos para comprobar que se han realizado y entendido

4 Documentacioacuten de POSIX y las bibliotecas

Documentacioacuten POSIX1-2008 Especificacioacuten del estaacutendar POSIX Dependiendo de la par-te que documente es maacutes o menos pedagoacutegica4

Documentacioacuten GNU C Library Esta documentacioacuten incluye muchos de los conceptos queya habeacuteis trabajado en asignaturas de introduccioacuten a la programacioacuten o de sistemasoperativos Es una guiacutea completa de programacioacuten en el lenguaje C pero sobre to-do incluye muchas funciones que son esenciales para programar uacutetiles para ahorrartiempo trabajando o para garantizar la portabilidad del coacutedigo entre sistemas POSIX5

5 Procesado de liacutenea de comandos tipo POSIX

51 Introduccioacuten y documentacioacuten

Los paraacutemetros que procesa un programa en sistemas POSIX deben seguir un estaacutendarde formato y respuesta esperada6 Un resumen de lo definido en el estaacutendar es lo siguiente

3httpwwweglibcorghome4httppubsopengrouporgonlinepubs96999197995httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanual6121 Utility Argument Syntax httppubsopengrouporgonlinepubs9699919799

basedefsV1_chap12html

6 Variables de entorno 5

Una opcioacuten es un guioacuten rsquo-rsquo seguido de un caraacutecter alfanumeacuterico por ejemplo -o

Una opcioacuten requiere un paraacutemetro que debe aparecer inmediatamente despueacutes de laopcioacuten por ejemplo para -o lo siguiente -o paraacutemetro o -oparaacutemetro

Las opciones que no requieren paraacutemetros pueden agruparse detraacutes de un guioacuten porejemplo -lst es equivalente a -t -l -s

Las opciones puede aparecer en cualquier orden asiacute -lst es equivalente a -tls

Las opciones pueden aparecer muchas veces

El paraacutemetro -- indica el fin de las opciones en cualquier caso

La opcioacuten - a menudo se indica para representar alguna entrada estaacutendar

La funcioacuten getopt()7 del estaacutendar ayuda a desarrollar el manejo de las opciones si-guiendo las directrices POSIX1-2008 getopt() estaacute implementada en libc89 Puedes vercoacutedigo de ejemplo comentado en el fichero ejemplo-getoptc El fichero ejemplo-getoptlongccontiene un ejemplo de procesado de oacuterdenes al estilo de GNU (por ejemplo --help y -hcomo oacuterdenes compatibles) Este segundo ejemplo no lo veremos en clase

52 Ejercicios

Descarga el coacutedigo de ejemplo de getopt() de la documentacioacuten de glibc10 Lee elcoacutedigo compiacutelalo ejecuacutetalo para comprobar que admite las opciones de paraacutemetros POSIXTrata de entender el coacutedigo y antildeade maacutes opciones (por ejemplo una sin paraacutemetros y otra conparaacutemetros) Debes consultar la seccioacuten Using the getopt function de la documentacioacuten11

para saber coacutemo funciona getopt queacute valores espera y queacute comportamiento tiene

6 Variables de entorno

61 Introduccioacuten y documentacioacuten

Una variable de entorno es un objeto designado para contener informacioacuten usada poruna o maacutes aplicaciones La variables de entorno se asociacioacuten a toda la maacutequina pero tam-bieacuten a usuarios individuales Si utilizas bash puedes consultar las variables de entorno detu sesioacuten con el comando env Tambieacuten puedes consultar o modificar el valor de una varia-ble de forma individual

$ env$ $ echo $LANGes_ESUTF-8$ export LANG=en_GBUTF-8

7httppubsopengrouporgonlinepubs9699919799functionsgetopthtml8httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeGetopthtml9Notas sobre portabilidad en httpwwwgnuorgsoftwaregnulibmanualgnulibhtml

getopt10httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeExample-of-Getopthtml11httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeUsing-Getopthtml

6 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

62 Ejercicios

Utilizando la funcioacuten getenv()12 haz un programa que dependiendo del idioma de lasesioacuten de usuario imprima un mensaje con su carpeta personal en castellano o en ingleacutesPuedes ver coacutedigo de ejemplo en el fichero ejemplo-getenvc

7 Obtencioacuten de informacioacuten de un usuarioa

71 Introduccioacuten y documentacioacuten

En los sistemas operativos la base de datos de usuarios puede ser local yo remota Porejemplo en GNULinux puedes ver los usuarios y grupos locales en los ficheros etcpasswdy etcgroup Si los usuarios no son locales normalmente se encuentran en una maacutequinaremota a la que se accede por un protocolo especiacutefico Algunos ejemplos son el servicio deinformacioacuten de red (NIS Network Information Service) o el protocolo ligero de acceso a di-rectorios (LDAP Lightweight Directory Access Protocol) En la actualizad NIS apenas se usa yLDAP es el estaacutendar para autenticar usuarios tanto en sistemas Unix o GNULinux comoen sistemas Windows

En el caso de GNULinux la autenticacioacuten de usuarios la realizan los moacutedulos de au-tenticacioacuten PAM (Pluggable Authentication Module) PAM es un mecanismo de autenticacioacutenflexible que permite abstraer las aplicaciones del proceso de identificacioacuten La buacutesqueda desu informacioacuten asociada la realiza el servicio NSS (Name Service Switch) que provee una in-terfaz para configurar y acceder a diferentes bases de datos de cuentas de usuarios y clavescomo etcpasswd etcgroup etchosts LDAP etc

POSIX presenta una interfaz para el acceso a la informacioacuten de usuarios que abstrae alprogramador de doacutende se encuentran los usuarios (en bases de datos locales yo remotascon distintos formatos etc) Por ejemplo la llamada getpwuid() devuelve una estructuracon informacioacuten de un usuario El sistema POSIX se encarga de intercambiar informacioacutencon NSS para conseguir la informacioacuten del usuario NSS leeraacute ficheros en el disco duro orealizaraacute consultas a traveacutes de la red para conseguir esa informacioacuten

72 Ejercicios

Puedes ver las funciones y estructuras de acceso a la informacioacuten de usuariosas y gru-pos en los siguientes ficheros de cabecera usrincludepwdh usrincludegrphLa funcioacuten getpwnam()13 permite obtener informacioacuten de un usuarioa Mira el programade ejemplo de getpwnam() y ampliacutealo para utilizar getgrgid()14 para obtener el nombredel grupo del usuario a traveacutes del identificador del grupo Puedes ver coacutedigo de ejemplo enel fichero ejemplo-infousuarioc

12httppubsopengrouporgonlinepubs009604599functionsgetenvhtml13httppubsopengrouporgonlinepubs009604599functionsgetpwnamhtml

httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeUser-Databasehtml14httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeGroup-Databasehtml

9 Creacioacuten de procesos Fork y Exec 7

8 Ejercicio resumen 1 (05 punto)

Realizar un programa que obtenga e imprima la informacioacuten de un usuario (todos loscampos de la estructura passwd) pasado por el paraacutemetro -u Si ademaacutes se le pasa la opcioacuten-g deberaacute buscar e imprimir la informacioacuten del grupo del usuario (nuacutemero ID del grupo ynombre)

Si se le pasa la opcioacuten -e imprimiraacute el mensaje en castellano y la opcioacuten -s hace que loimprima en ingleacutes Si no se le pasa ni -e ni -s se miraraacute la variable de entorno LANG paramostrar la informacioacuten Por ejemplo las siguientes llamadas seriacutean vaacutelidas

Obtener la informacioacuten de un usuario usando el idioma configurado en LANG$ infousuario -u i02samoj Obtener la informacioacuten de un usuario forzando el idioma en castellano$ infousuario -u i02samoj -e Obtener la informacioacuten de un usuario antildeadiendo la informacioacuten de su grupo principal e imprimiendo todo en ingleacutes$ infousuario -u i02samoj -s -g

El control de errores debe ser el siguiente

Asegurar que se pasa el nombre del usuario (tienes un ejemplo de coacutemo controlar quese pasa el paraacutemetro de una opcioacuten en el ejemplo-getoptc)

Las opciones -e y -s no pueden activarse a la vez

Sugerencia empezar por el coacutedigo de ejemplo ejemplo-getoptc Primero debe pro-cesarse la entrada de comandos para asegurarse que no falta ninguna opcioacuten esencial (porejemplo el nombre de usuario) Despueacutes debe ir la loacutegica del programa dependiendo de lasopciones que se hayan reconocido Se pueden hacer funciones para simplificar la funcioacutenmain Por ejemplo una funcioacuten para imprimir la informacioacuten del usuario en castellanoin-gleacutes a la que se le pase la estructura struct passwd y una opcioacuten Una sugerencia para elesquema general puede ser

1 Procesar opciones de entrada

2 Usar la variable de entorno LANG si las ldquoflagsrdquo de las opciones -e o -s estaacuten a cero

3 Llamar a una funcioacuten que imprima la informacioacuten de un usuario en ingleacutes o castellanocon las opciones (login grupo sino idioma)

9 Creacioacuten de procesos Fork y Exec

91 Introduccioacuten y documentacioacuten

En general en sistemas operativos y lenguajes de programacioacuten se llama bifurcacioacuten ofork a la creacioacuten de un subproceso copia del proceso que llama a la funcioacuten El subprocesocreado o ldquoproceso hijordquo proviene del proceso originario o ldquoproceso padrerdquo Los procesos

8 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

pid=fork()

case 0 hijo

default padre

Figura 4 Esquema de llamadas y procesos generados por fork() en el ejemplo

resultantes son ideacutenticos salvo que tienen distinto nuacutemero de proceso (PID)15 En UNIXotra forma de crear subprocesos es utilizar tuberiacuteas o pipes las cuaacuteles son esenciales para lacomunicacioacuten inter-procesos por ejemplo

$ find -name c -print | wc -l

En C se crea un subproceso con llamando a la funcioacuten fork()16 Tienes un pequentildeomanual y mucho coacutedigo de ejemplo en [6] Puedes ver un coacutedigo con muchos comentariosen la entrada de Wikipedia17 El nuevo proceso hereda varias propiedades del proceso padre(variables de entorno descriptores de ficheros etc ) En esta asignatura no entraremos enqueacute sucede internamente a nivel del sistema operativo Despueacutes de una llamada exitosa afork habraacute dos copias del coacutedigo original ejecutaacutendose a la vez En el proceso original elvalor devuelto de fork seraacute el identificador del proceso hijo En cambio en el proceso hijoel valor devuelto por fork seraacute 0

92 Ejercicios y ejemplos

El listado siguiente (ejemplo-forkc) es un ejemplo de uso de fork que controla queacutetipo de proceso es el que ejecuta el coacutedigo utilizando el valor devuelto por la funcioacuten asiacute co-mo otras funciones POSIX para obtener informacioacuten de los procesos (puedes ver un esquemade las subprocesos creados en la Figura 4)

include ltunistdhgtinclude ltstdiohgtinclude ltstdlibhgt

int main()

pid_t rfrf = fork()switch (rf)

15httpwwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeProcesseshtml16httppubsopengrouporgonlinepubs969991979917httpeswikipediaorgwikiBifurcaciC3B3n_28sistema_operativo29

9 Creacioacuten de procesos Fork y Exec 9

case -1

printf (No he podido crear el proceso hijo n)exit(-1)

case 0printf (Soy el hijo mi PID es d y mi PPID es d n

getpid() getppid())sleep (5)break

defaultprintf (Soy el padre mi PID es d y el PID de mi hijo es

d n getpid() rf)sleep (10)

printf (Final de ejecucioacuten de d n getpid())exit (0)

Un ejemplo de llamada a este coacutedigo seriacutea

$ ejemplo-forkSoy el padre mi PID es 23455 y el PID de mi hijo es 23456Soy el hijo mi PID es 23456 y mi PPID es 23455Final de ejecucioacuten de 23456Final de ejecucioacuten de 23455

En este ejemplo el proceso padre no queda bloqueado esperando al hijo prueba a ponerun valor menor de espera (sleep) para el padre que para el hijo

$ ejemplo-forkSoy el padre mi PID es 23437 y el PID de mi hijo es 23438Soy el hijo mi PID es 23438 y mi PPID es 23437Final de ejecucioacuten de 23437$ Final de ejecucioacuten de 23438

Si quisieacuteramos que el proceso padre esperase a que el proceso (o los procesos) hijos ter-minasen debemos utilizar la funcioacuten wait18 El valor devuelto por la funcioacuten wait es elPID del proceso hijo que se estaacute esperando que termine si se le ha pasado un PID comoargumento Si soacutelo se le pasa ampstatus wait() espera a que terminen todos los procesoshijos y devuelve el PID del uacuteltimo proceso en terminar Un ejemplo

include ltunistdhgtinclude ltsyswaithgt

int main()pid_t pidint status died

18wwwgnuorgsoftwarelibcmanualhtml_nodeProcess-Completionhtml

10 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

switch(pid=fork())case -1 printf(canrsquot forkn)

exit(-1)case 0 sleep(2) coacutedigo que ejecuta el hijo

exit(3)default died= wait(ampstatus) coacutedigo que ejecuta el padre

En ocasiones puede interesar ejecutar un programa distinto no diferentes partes de eacutel yse quiere iniciar este segundo proceso diferente desde el programa principal La familia defunciones exec() permiten iniciar un programa dentro de otro programa En lugar de crearuna copia del proceso como fork() exec() provoca el reemplazo total del programaque llama a la funcioacuten por el programa llamado Por ese motivo se suele utilizar exec()junto con fork() de forma que sea un proceso hijo el que cree el nuevo proceso para queel proceso padre no sea destruido Podemos ver este mecanismo en el siguiente coacutedigo deejemplo

include ltunistdhgtinclude ltsyswaithgtinclude ltstdiohgtinclude ltstdlibhgt

int main()

pid_t pidint status died

char args[] = binls -r -t -l (char ) 0

switch(pid=fork())case -1

printf(canrsquot forkn)exit(-1)

case 0 printf(childn) coacutedigo que ejecuta el hijoexecv(binls args)

defaultdied= wait(ampstatus) coacutedigo que ejecuta el padre

return(0)

10 Sentildeales entre procesos 11

10 Sentildeales entre procesos

101 Introduccioacuten y documentacioacuten

Las sentildeales entre programas son interrupciones software que se generan para informara un proceso de la ocurrencia de un evento Otras formas alternativas o complementarias decomunicacioacuten entre procesos son las tuberiacuteas POSIX (funciones popen y relacionadas) y laslas colas de mensajes POSIX o POSIX message queues (funciones mq_open mq_send ) Losprogramas pueden disentildearse para capturar una o varias sentildeales proporcionando una fun-cioacuten que las maneje Este tipo de funciones se llaman teacutecnicamente callbacks o retrollamadasUna callback es una referencia a un trozo de coacutedigo ejecutable normalmente una funcioacutenque se pasa como paraacutemetro a otro coacutedigo Esto permite por ejemplo que una capa de bajonivel del software llame a la subrutina o funcioacuten definida en una capa superior (ver Figura5 fuente Wikipedia19)

Application program

Software library

Main program

Library function

callsCallback function

calls

Figura 5 Esquema del funcionamiento de las callbacks o retrollamadas

Por ejemplo cuando se apaga GNULinux se enviacutea la sentildeal SIGTERM a todos los proce-sos asiacute los procesos pueden capturar esta sentildeal y terminar de forma adecuada por ejemploliberando recursos cerrando ficheros abiertos etc La funcioacuten signal20 permite asociar unadeterminada funcioacuten (a traveacutes de un puntero a funcioacuten) a una sentildeal identificada por un en-tero (SIGTERM SIGKILL etc)

include ltsignalhgt

sighandler_t signal(int signum sighandler_t handler)

102 Ejercicios y ejemplos

El coacutedigo de ejemplo ejemplo-signalsc21 contiene ejemplos captura de sentildeales PO-SIX enviadas a un programa Recuerda que la funcioacuten signal() no llama a ninguna funcioacuten

19httpenwikipediaorgwikiCallback_28computer_science2920httppubsopengrouporgonlinepubs9699919799functionssignalhtml21Fuente httpwwwamparonetce155signals-exhtml

12 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

lo que hace es asociar una funcioacuten del programador a eventos que se generan en el sistemaesto es pasar un puntero a una funcioacuten

$ ejemplo-signalCannot handle SIGKILLI caught the SIGHUP signalI caught the SIGTERM signalTerminado (killed) En otra terminal obtener el PID del proceso$ ps -e|grep signal31188 pts0 000005 ejemplo-signal$ kill -SIGHUP 31188$ killall ejemplo-signal mandamos sentildeal SIGTERM$ killall ejemplo-signal -9 Forzamos parar el programa con

SIGKILL

11 sockets POSIX

111 Introduccioacuten y conceptos baacutesicos

En esta seccioacuten haremos una pequentildea introduccioacuten a los sockets POSIX una herra-mienta que permite desarrollar aplicaciones que se comuniquen entre siacute a traveacutes de una redutilizando diferentes protocolos o facilitando el desarrollo de otros protocolos sobre TCPIPComo esta no es una asignatura especiacutefica de redes aprenderemos algunos conceptos y al-goritmos baacutesicos para la comunicacioacuten pero sin entrar en detalle del funcionamiento y detodas las opciones disponibles Si tienes duda sobre alguna funcioacuten hay un buen resumenen castellano con los pasos y funciones para utilizar sockets en la web chuidiangcom [7]nosotros usaremos algunas descripciones de este manual por ser muy sencillas y claras Acontinuacioacuten daremos algunas definiciones

Protocolo En una red de ordenadores hay varios ordenadores que estaacuten conectados entre sipor un medio fiacutesico (cable ondas inalaacutembricas etc) a traveacutes del cuaacutel puede transmitir-se informacioacuten Para que exista esta comunicacioacuten debe haber un ldquoidiomardquo o protocolocomuacuten entre los equipos Hay muchiacutesimos protocolos de comunicacioacuten entre los cua-les el maacutes extendido es el TCPIP El maacutes extendido porque es el que se utiliza enInternet

socket Un socket no es maacutes que un ldquocanal de comunicacioacutenrdquo entre dos programas quecorren sobre ordenadores distintos o incluso en el mismo ordenador Desde el puntode vista de programacioacuten un socket no es maacutes que un ldquoficherordquo que se abre de unamanera especial Una vez abierto se pueden escribir y leer datos de eacutel con las habitualesfunciones de read() y write() del lenguaje C Existen baacutesicamente dos tipos deldquocanales de comunicacioacutenrdquo o sockets los orientados a conexioacuten (por ejemplo TCP)y los no orientados a conexioacuten (por ejemplo UDP) Nosotros veremos un ejemplo defuncionamiento de sockets orientados a la conexioacuten

arquitectura cliente-servidor La arquitectura cliente-servidor es un modelo de aplicacioacutendistribuida en el que las tareas se reparten entre los proveedores de recursos o servicios

11 sockets POSIX 13

llamados servidores y los demandantes llamados clientes Por ejemplo la World WideWeb (WWW) se implementa con este modelo El servidor es el programa que permanecepasivo a la espera de que alguien solicite conexioacuten con eacutel normalmente para pedirlealguacuten dato Cliente es el programa que solicita la conexioacuten para normalmente pedirdatos al servidor

112 Algoritmo baacutesico Cliente-Servidor

La Figura 6 muestra el diagrama de flujo general de la comunicacioacuten Cliente-Servidorutilizando sockets

Servidor

socket()

connect()

send()

recv()

closeSocket()

Cliente

socket()

bind()

listen()

accept()

recv()

send()

recv()

closeSocket()

El cliente enviacutea datos yel servidor los recive

El servidor enviacutea datos y el cliente los recive

El cliente manda un mensaje para finalizar la conexioacuten

Diagrama de flujode un socket TCPimplementando el modeloCliente-Servidor

Figura 6 Diagrama de flujo de la implementacioacuten del modelo Cliente-Servidor orientado ala conexioacuten con sockets POSIX

14 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

113 Pasos de programacioacuten C en el lado Servidor

Con C en UnixLinux los pasos que debe seguir un programa servidor son los siguientes[7]

Apertura de un socket mediante la funcioacuten socket() Esta funcioacuten devuelve un des-criptor de fichero normal como puede devolverlo open() o fopen() La funcioacutensocket() no hace absolutamente nada respecto a iniciar la comunicacioacuten salvo de-volvernos y preparar un descriptor de fichero que el sistema posteriormente asociaraacutea una conexioacuten en red

Avisar al sistema operativo de que hemos abierto un socket y queremos que asocienuestro programa a dicho socket Se consigue mediante la funcioacuten bind() El siste-ma todaviacutea no atenderaacute a las conexiones de clientes simplemente anota que cuandoempiece a hacerlo tendraacute que avisarnos a nosotros Es en esta llamada cuando se debeindicar el nuacutemero de servicio (o puerto) al que se quiere atender

Avisar al sistema de que comience a atender dicha conexioacuten de red Se consigue me-diante la funcioacuten listen() A partir de este momento el sistema operativo anotaraacutela conexioacuten de cualquier cliente para pasaacuternosla cuando se lo pidamos Si llegan clien-tes maacutes raacutepido de lo que somos capaces de atenderlos el sistema operativo hace unaldquocolardquo con ellos y nos los iraacute pasando seguacuten vayamos pidieacutendolo

Pedir y aceptar las conexiones de clientes al sistema operativo Para ello hacemos unallamada a la funcioacuten accept() Esta funcioacuten le indica al sistema operativo que nos deacuteal siguiente cliente de la cola Si no hay clientes se quedaraacute bloqueada hasta que alguacutencliente se conecte

Escribir y recibir datos del cliente por medio de las funciones write() y read() queson exactamente las mismas que usamos para escribir o leer de un fichero Obviamentetanto cliente como servidor deben saber queacute datos esperan recibir queacute datos debenenviar y en queacute formato por ejemplo el protocolo HTTP y el formato HTML o XHTML

Cierre de la comunicacioacuten y del socket por medio de la funcioacuten close() que es lamisma que sirve para cerrar un fichero

114 Pasos de programacioacuten C en el lado Cliente

Nosotros no veremos la parte del cliente ya que cualquier navegador web seraacute el clientede nuestro servidor Los pasos que debe seguir un programa cliente son los siguientes [7]

Apertura de un socket como el servidor por medio de la funcioacuten socket()

Solicitar conexioacuten con el servidor por medio de la funcioacuten connect() Dicha funcioacutenquedaraacute bloqueada hasta que el servidor acepte nuestra conexioacuten o bien si no hayservidor en el sitio indicado saldraacute dando un error En esta llamada se debe facilitar ladireccioacuten IP del servidor y el nuacutemero de servicio que se desea

Escribir y recibir datos del servidor por medio de las funciones write() y read()

Cerrar la comunicacioacuten por medio de close()

12 Todo junto un servidor web baacutesico en C 15

Figura 7 Ejemplo de ejecucioacuten del servidor web con la llamada ejemplo-webserver -p8080 -r htdocs

12 Todo junto un servidor web baacutesico en C

121 Introduccioacuten y coacutedigo

En esta seccioacuten vamos a ver un ejemplo que combina muchas de las funciones POSIXque hemos visto en las praacutecticas Esta seccioacuten la trabajaremos directamente sobre el coacutedigode ejemplo ejemplo-webserverc Este ejemplo es un coacutedigo ampliado descargado deinternet con algunas funciones auxiliares que se han antildeadido para facilitar los ejerciciosPregunta todas las dudas que tengas durante la explicacioacuten del coacutedigo El objetivo es tratarde reconocer los pasos del modelo Cliente-Servidor de la Figura 6 a grandes rasgos y sinperderse en los detalles ya que no se pediraacute ninguna modificacioacuten de las partes de coacutedigorelativas a la comunicacioacuten La Figura 8 muestra el funcionamiento general del coacutedigo delservidor web combinando el esquema de la Figura 6 con fork() para poder atender variasconexiones de manera simultaacutenea

16 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

Servidor

socket()

connect()

send()

recv()

closeSocket()

Cliente

socket()

bind()

listen()

accept()

recv()

send()

recv()

closeSocket()

HTTP10 200 OKDatos

El cliente manda un mensaje para finalizar la conexioacuten

Diagrama de flujodel ejemplo de servidor web baacutesico

startServer()

while(1) fork()

respond()

fork()

GET holahtml HTTP11

La llamada a accept() crea un nuevosocket para atender la conexioacutenque deberaacute ser cerrado al finalizarel intercambio de datos

El socket creado por el procesoprincipal deberiacutea ser cerradoal finalizar el programa por ejemplo capturando lassentildeales SIGTERM SIGINT

Figura 8 Diagrama de flujo de la implementacioacuten del modelo Cliente-Servidor orientado ala conexioacuten con sockets POSIX

122 Ejercicios

Arranca y para el servidor siguiendo la ayuda de la liacutenea de comandos Prueba a conec-tarte a eacutel a traveacutes del navegador y prueba a cambiar las opciones Si no sabes HTML miralos ficheros de ejemplo del directorio htdocs del paquete de praacutecticas

Para arrancar el servidor que escuche en el puerto 8080 y que utilice el directorio htdocscomo raiacutez para servir ficheros web

$ ejemplo-webserver -p 8080 -r htdocs

ahora visita la direccioacuten httplocalhost8080 y comprueba que puedes navegar porlas paacuteginas alojadas en el servidor En el navegador deberiacuteas obtener un resultado similar alde la Figura 7 Puedes probar a ejecutar el servidor en tsucoes en este caso la direccioacuten

13 Ejercicio resumen 2 (1 punto) 17

seriacutea httptsucoes8080 Si esto lo haceacuteis varias personas tal vez tengaacuteis quecambiar el puerto porque soacutelo una aplicacioacuten puede escuchar en un puerto este mensajede error os indicariacutea que ya hay una aplicacioacuten asociada al puerto que pretendeacuteis usar

$ ejemplo-webserver -p 8080 -r htdocs$ socket() or bind() Address already in use

Este mensaje de error puede obtenerse auacuten cuando haya finalizado la ejecucioacuten de pro-grama que escucha el puerto Aunque el documento es antiguo y la explicacioacuten tal vez nosea precisa puedes leer una explicacioacuten de por queacute pasa esto en [8]

13 Ejercicio resumen 2 (1 punto)

Para este ejercicio partiremos del coacutedigo ejemplo-webserverc El Makefile del pa-quete de praacutecticas ya incluye una regla para compilar el fichero webserverexc Ejercicios

1 La funcioacuten webServerLog() implementa un pequentildeo sistema de registro o log (nooacuteptimo por supuesto) Esta funcioacuten es similar a printf() Utilizaacutendola se puedenregistrar mensajes de inicio o parada del servidor o los accesos al servidor en el ficheroaccesslog y los errores en el fichero errorlog Por ejemplo puedes hacer lassiguientes llamadas

webServerLog(WS_LOG_ACCESS Servidor iniciado en el puerto s PORT)

webServerLog(WS_LOG_ERROR Error en la conexioacuten)

No necesitas reemplazar todos los mensajes pero si los maacutes significativos cuando nose puede iniciar el servidor por estar el puerto ocupado el inicio o parada del servidory las peticiones HTTP que llegan al servidor

2 Modifica el coacutedigo del servidor web para que tenga una nueva opcioacuten -f Cuando sepase esta opcioacuten el servidor deberaacute incluir una foto del Fary en todas las paacuteginas webque sirva Una imagen se incluye en HTML con el coacutedigoltimg src=ficherojpg alt=Texto alternativogt insertado entre las eti-quetas ltBODYgt y ltBODYgt que es donde va el contenido en si de una paacutegina HTML

Figura 9 El Fary

18 Programacioacuten y Administracioacuten de Sistemasndash 2011-2012

Ten en cuenta que el navegador haraacute una peticioacuten por cada fichero html y otra(s) porcada imagen (u otros datos) contenidos en la web Asiacute si una web tiene una imagenel navegador pediraacute primero el fichero html con un GET holahtml HTTP11 ycuando lo abra y detecte la etiqueta ltimg gt haraacute otra peticioacuten GET ficherojpgHTTP11 para que el servidor le enviacutee el fichero de la imagen22 Ayuacutedate y modificasi lo necesitas las funciones auxiliares strcasestr()23 y copyfile() Acueacuterdate deactualizar la ayuda del programa

3 Captura algunas llamadas al sistema (SIGTERM SIGINT y SIGHUP) para gestionar elfin del programa adecuadamente Puedes asociar estas tres sentildeales con la misma fun-cioacuten de parar el servidor Se deberiacutean finalizar y cerrar adecuadamente las conexionesy ficheros abiertos Opcionalmente puedes hacer un script de bash que arranque y pareel servidor ejecutando el servidor y enviaacutendole la sentildeal SIGTERM respectivamente Porejemplo start-serversh y stop-serversh

4 Captura la URL solicitada por el cliente Si se pide la URL httpservidorpuertoinfousuarioi02samoj el servidor debe generar una web con la informacioacuten delusuario Con el coacutedigo del ejercicio resumen 1 y usando un fichero temporal no debe-riacutea ser muy difiacutecil

Para el segundo ejercicio una llamada similar a

$ ejemplo-webserver -p 8080 -r htdocs -f

deberiacutea producir un resultado similar en el navegador al de la Figura 10

14 Trabajo futuro

Algunas ideas que no ha dado tiempo a hacer

Utilizar el patroacuten de disentildeo singleton para guardar la configuracioacuten del programa

Controlar la destruccioacuten de subprocesos del servidor pasado un tiempo

Comunicacioacuten inter-procesos con diferentes alternativas (tuberiacuteas POSIX MQ etc)

Capturar coacutemo ha muerto un proceso WEXITSTATUS WTERMSIG

Hacer que el servidor sirva coacutedigo generado con PHP (por ejemplo recogiendo la salidade php ejemplophp)

22La peticioacuten de estos ficheros auxiliares se hace al servidor que sirve la web pero tambieacuten se puede hacer aotro si el fichero se encuentra en otro sitio web Esto ocurre por ejemplo cuando se inserta un viacutedeo de youtube osimilares en una paacutegina

23En el coacutedigo del servidor web se proporciona la funcioacuten strcasestr(cadena subcadena) para facili-tar uno de los ejercicios Esta funcioacuten busca una subcadena dentro de una cadena Devuelve un 0 si no encuentrala subcadena o la posicioacuten de la subcadena si la encuentra es decir un valor mayor que cero

14 Trabajo futuro 19

Figura 10 Ejemplo del resultado de la ejecucioacuten del servidor web para implementar la op-cioacuten -f

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Referencias

[1] Wikipedia Posix ndash wikipedia la enciclopedia libre 2012 [Internet descargado 12-abril-2012] Available from httpeswikipediaorgwindexphptitle=POSIXampoldid=53746603

[2] The IEEE and The Open Group Posix1-2008 ndash the open group base specifications issue 72008 Available from httppubsopengrouporgonlinepubs9699919799

[3] Proyecto GNU Gnu c library 2012 Available from httpwwwgnuorgsoftwarelibclibchtml

[4] Brian W Kernighan Dennis Ritchie and Dennis M Ritchie C Programming Language(2nd Edition) Pearson Educacioacuten 2 edition 1991

[5] Wikipedia Glibc ndash wikipedia la enciclopedia libre 2012 [Internet descargado 12-abril-2012] Available from httpeswikipediaorgwindexphptitle=Glibcampoldid=53229698

[6] Tim Love Fork and exec 2008 Available from httpwww-hengcamacukhelptplunixforkhtml

[7] chuidiangcom Programacioacuten de sockets en c de unixlinux 2007 Available fromhttpwwwchuidiangcomclinuxsocketssockets_simpphp

[8] Andrew Gierth Vic Metcalfe and other contributers Programming UNIX Sockets inC - Frequently Asked Questions 42 Why donrsquot my sockets close 1996 Availa-ble from httpwwwsoftlabntuagrfacilitiesdocumentationunixunix-socket-faqunix-socket-faq-4htmlss42

[9] Wikipedia Dennis ritchie ndash wikipedia la enciclopedia libre 2012 Available from httpeswikipediaorgwikiDennis_Ritchie