Linux-IPC-Concurrency-C

Comunicación entre Procesos y Concurrencia en Sistemas POSIX (C)

Autor: Adriano Scatena

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Índice

1. Descripción General

2. process_manager_signals.c
   2.1. Objetivo
   2.2. Arquitectura del Diseño
   2.3. Modelo de Ejecución
   2.4. Comportamiento por Señal
   2.5. Estructura de Datos Utilizada
   2.6. Aspectos Técnicos Relevantes
   2.7. Compilación

3. shared_memory_ipc.c
   3.1. Objetivo
   3.2. Modelo General
   3.3. Componentes IPC Utilizados
   3.4. Cifrado Implementado
   3.5. Control de Estado de Proceso
   3.6. Terminación Coordinada
   3.7. Compilación y Ejecución

4. Decisiones de Diseño Destacadas

5. Tecnologías y Conceptos

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Descripción General

Este repositorio implementa mecanismos avanzados de Comunicación entre Procesos (IPC) y control de concurrencia en sistemas GNU/Linux bajo estándar POSIX, utilizando lenguaje C a nivel de system calls.

El proyecto está compuesto por dos programas independientes:

• process_manager_signals.c
• shared_memory_ipc.c

Ambos exploran problemas clásicos de Sistemas Operativos:

• Creación y jerarquía de procesos (fork)
• Reemplazo de imagen de proceso (exec)
• Manejo asincrónico de señales
• Sincronización entre procesos sin memoria compartida implícita
• Uso explícito de memoria compartida System V
• Comunicación mediante FIFOs
• Terminación coordinada y liberación segura de recursos
• Diseño robusto frente a condiciones de carrera

El enfoque del repositorio es práctico y técnico, orientado a demostrar comprensión profunda del modelo de ejecución de procesos en Linux.

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1. process_manager_signals.c

Gestión Dinámica de Procesos mediante Señales

Objetivo

Diseñar un proceso padre que responda dinámicamente a señales externas creando y gestionando procesos hijos con comportamientos diferenciados.

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Arquitectura del Diseño

El programa implementa:

• Manejadores de señales livianos que solo modifican flags volatile
• Separación estricta entre:
  • Código del manejador
  • Lógica principal
• Uso de pause() para bloqueo eficiente
• Lista enlazada dinámica tipo LIFO para registrar PIDs

Se evita ejecutar lógica compleja dentro de los handlers, reduciendo comportamiento indefinido.

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Modelo de Ejecución

El proceso padre:

• Registra manejadores para SIGUSR1, SIGUSR2 y SIGTERM
• Permanece bloqueado esperando señales
• Reacciona según la señal recibida

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Comportamiento por Señal

SIGUSR1

• Ejecuta fork()
• Registra el PID en una lista enlazada dinámica
• El hijo:
  • Configura SIGALRM
  • Imprime su PID y el del padre cada 5 segundos
  • Utiliza alarm(5) para temporización periódica

Se implementa una bandera _5seg para desacoplar la señal de la lógica de impresión.

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SIGUSR2

• Ejecuta fork()
• El hijo reemplaza su imagen con:

execl("/bin/ls", "ls", NULL);

Esto demuestra uso correcto de exec y reemplazo total del espacio de memoria del proceso.

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SIGTERM

• Recorre la lista dinámica de hijos creados por SIGUSR1
• Envía SIGTERM a cada uno con intervalo de 1 segundo
• Libera memoria dinámica
• Finaliza ordenadamente

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Estructura de Datos Utilizada

typedef struct nodo {
    pid_t pid;
    struct nodo *siguiente;
} nodo;

Permite:

• Registro incremental
• Eliminación ordenada
• Gestión explícita de memoria (malloc / free)

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Aspectos Técnicos Relevantes

• Uso de volatile bool para flags de señal
• Separación de handlers y lógica
• Uso correcto de SIG_DFL en procesos hijos
• Gestión manual de memoria dinámica
• Prevención de ejecución simultánea indebida

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Compilación

gcc process_manager_signals.c -o process_manager

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2. shared_memory_ipc.c

Sincronización Bidireccional con Memoria Compartida y Señales

Objetivo

Implementar comunicación coordinada entre dos procesos independientes (A y B) utilizando:

• Memoria compartida System V
• Pipes nombrados (FIFO)
• Señales POSIX
• Cifrado modular aplicado a los datos

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Modelo General

El sistema implementa un protocolo de alternancia estricta:

• A escribe posiciones 0–9
• B escribe posiciones 10–19
• Ninguno puede escribir hasta que el otro haya leído
• Escritura: 1 valor por segundo
• Lectura: sincronizada por señales
• Finalización coordinada mediante SIGTERM

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Componentes IPC Utilizados

1. Memoria Compartida (System V)

Funciones utilizadas:

• ftok
• shmget
• shmat
• shmdt
• shmctl

Estructura:

typedef struct {
    int datos[20];
} shared_memory;

La memoria solo contiene datos, nunca flags de control.

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2. FIFOs (Named Pipes)

• pipe_fifoA
• pipe_fifoB

Se utilizan exclusivamente para intercambio inicial de PIDs.

Se implementa manejo robusto ante:

• EEXIST
• ENXIO
• Apertura no bloqueante

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3. Señales como Mecanismo de Sincronización

Se emplean:

• SIGUSR1
• SIGUSR2
• SIGTERM

Las señales activan flags volatile sig_atomic_t, garantizando:

• Seguridad en acceso concurrente
• No ejecución de lógica compleja dentro del handler
• Separación entre señal y decisión

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Cifrado Implementado

Función pública:

[ f(x) = (4x + 5) \mod 27 ]

Función inversa:

[ f^{-1}(x) = (7x + 19) \mod 27 ]

Cada proceso:

• Cifra antes de escribir
• Descifra al leer

Esto introduce una capa adicional de transformación de datos sobre IPC.

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Control de Estado de Proceso

Se implementa:

kill(pid, 0)

Para verificar existencia del proceso remoto antes de finalizar.

Esto evita zombies y asegura terminación limpia.

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Terminación Coordinada

Proceso A:

• Envía SIGTERM a B
• Espera confirmación de muerte
• Libera memoria compartida
• Elimina FIFOs

Proceso B:

• Se desasocia
• Elimina su FIFO
• Finaliza

Se garantiza:

• No fuga de memoria
• No recursos IPC huérfanos
• No procesos zombies

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Compilación

gcc shared_memory_ipc.c -o shared_memory_ipc -lrt

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Ejecución

Terminal 1:

./shared_memory_ipc A

Terminal 2:

./shared_memory_ipc B

Finalización:

kill -SIGTERM <PID_de_A>

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Decisiones de Diseño Destacadas

• Uso de volatile sig_atomic_t en vez de tipos primitivos simples
• Separación estricta entre datos y control
• No utilización de busy waiting
• Uso de pause() para espera eficiente
• Manejo explícito de errores (errno)
• Liberación manual de recursos IPC
• Implementación de protocolo de alternancia sin mutexes

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Tecnologías y Conceptos

• C (GNU)
• POSIX Signals
• System V Shared Memory
• FIFOs
• fork / exec
• alarm
• kill
• IPC
• Concurrencia sin threads
• Sincronización asincrónica

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Este repositorio demuestra dominio en programación de sistemas, diseño concurrente y gestión explícita de recursos a bajo nivel en entornos Linux.