16. Виды межпроцессных коммуникаций. Конвейер. Сокеты

Совместно выполняемые процессы могут быть либо независимыми, либо взаимодействующими. Взаимодействие процессов часто понимается в смысле взаимного обмена данными через общий буфер данных.

Взаимодействие процессов удобно рассматривать в схеме производитель-потребитель. Для взаимодействия процесса-производителя и процесса-потребителя создается совместный буфер, заполняемый процессом-производителем и потребляемый процессом-потребителем. Буфер имеет фиксированные размеры и, следовательно, процессы могут находиться в состоянии ожидания, когда:

• буфер заполнен – ожидает процесс-производитель;

• буфер пуст – ожидает процесс-потребитель.

Буфер может предоставляться и поддерживаться самой ОС, например, с помощью средств межпроцессорных коммуникаций, либо должен быть организован прикладным программистом.

Взаимодействие заключается в передаче данных между процессами или совместном использовании некоторых ресурсов и обычно реализуется с помощью таких механизмов, как сигналы, конвейеры, очереди сообщений, разделяемые сегменты памяти, сокеты, почтовые ящики.

Конвейер (pipe – программный канал (связи), или, как его иногда называют, транспортер) является средством, с помощью которого можно производить обмен данными между процессами. Принцип работы конвейера основан на механизме ввода/вывода, который используется для работы с файлами в UNIX, то есть задача, передающая информацию, действует так, как будто она записывает данные в файл, в то время как задача, для которой предназначается эта информация, читает её из этого файла. Операции записи и чтения осуществляются не записями, как это делается в обычных файлах, а потоком байтов, как это было принято в UNIX-системах. Таким образом, функции, с помощью которых выполняется запись в канал и чтение из него, являются теми же самыми, что и при работе с файлами. По сути, канал представляет собой поток данных между двумя (или более) процессами. Это упрощает программирование и избавляет программистов от использования каких-то новых механизмов. На самом деле конвейеры не являются файлами на диске, а представляют собой буферную память, работающую по принципу FIFO, то есть по принципу обычной очереди. Однако не следует путать конвейеры с очередями сообщений; последние реализуются иначе и имеют другие возможности.

Конвейер имеет определенный размер, который не может превышать 64 Кбайт, и работает циклически. Вспомните реализацию очереди на массивах, когда имеются указатели начала и конца очереди, которые перемещаются циклически по массиву. Имеется некий массив и два указателя: один показывает на первый элемент (назовем его условно, head), а второй – на последний (назовем его tail).

В начальный момент оба указателя равны нулю. Добавление самого первого элемента в пустую очередь приводит к тому, что указатели head и tail принимают значение, равное 1 (в массиве появляется первый элемент). В последующем добавление нового элемента вызывает изменение значения второго указателя, поскольку он отмечает расположение именно последнего элемента очереди. Чтение (и удаление) элемента (читается и удаляется всегда первый элемент из созданной очереди) приводит к необходимости модифицировать значение указателя head. В результате операций записи (добавления) и чтения (удаления) элементов в массиве, моделирующем очередь элементов, указатели будут перемещаться от начала массива к его концу. При достижении указателем значения индекса последнего элемента массива значение указателя вновь становится единичным (если при этом не произошло переполнение массива, то есть количество элементов в очереди не стало больше числа элементов в массиве). Можно сказать, что мы как бы замыкаем массив в кольцо, организуя круговое перемещение указателей head и tail, которые отслеживают первый и последний элементы в очереди. Сказанное проиллюстрировано на рис. 8.1. Именно так и функционирует конвейер.

Как информационная структура канал описывается идентификатором, размером и двумя указателями. Конвейеры представляют собой системный ресурс. Чтобы начать работу с конвейером, процесс сначала должен заказать его у операционной системы и получить в своё распоряжение. Процессы, знающие идентификатор конвейера, могут через него обмениваться данными.

Рис. 8.1. Организация очереди на массиве

Рассмотрим основные системные запросы для работы с ними. В качестве примера возьмем вызовы из API OS/2.

• Функция создания конвейера: DosCreatePipe (&ReadHand1e, &WriteHandle, PipeSize), где ReadHandle – описатель для чтения из конвейера, WriteHandle – описатель для записи в конвейер, PipeSize – размер конвейера.

• Функция чтения из конвейера: DosRead (&ReadHandle, (PVOID)&Inform, sizeof(Inform), &BytesRead), где ReadHandle – описатель для чтения из конвейера, Inform – переменная любого типа, sizeof( Inform) – размер переменной Inform, BytesRead – количество прочитанных байтов. Данная функция при обращении к пустому конвейеру будет ожидать, пока в конвейере не появится информация для чтения.

• Функция записи в конвейер: DosWrite (&WriteHand1e, (PVOID)&Inform, s1zeof( Inform), &BytesWrite), где WriteHandle – описатель для записи в конвейер, BytesWrite – количество записанных байтов.

Читать из конвейера может только тот процесс, который знает идентификатор соответствующего конвейера. При работе с конвейером данные непосредственно помещаются в него. Ещё раз отметим, что из-за ограничения на размер конвейера программисты сталкиваются и с ограничениями на размеры передаваемых через него сообщений.

Программные каналы (pipes) в ОС UNIX являются очень важным средством взаимодействия и синхронизации процессов. Теоретически программный канал позволяет взаимодействовать любому числу процессов, обеспечивая дисциплину FIFO (first-in-first-out). Процесс, читающий из программного канала, прочитает самые давние данные, записанные в программный канал. Традиционно для хранения данных использовались файлы, в современных версиях ОС UNIX применяются и другие средства, например, очереди сообщений.

В ОС UNIX различают два вида программных каналов:

• именованный программный канал может служить для общения и синхронизации произвольных процессов, знающих имя данного программного канала и имеющих соответствующие права доступа;

• неименованным программным каналом могут пользоваться только создавший его процесс и его потомки.

Сокеты (англ. socket углубление, гнездо, разъём) – это название программного интерфейса для обеспечения информационного обмена между процессами. Процессы при таком обмене могут исполняться как на одной ЭВМ, так и на различных ЭВМ, связанных между собой сетью. Сокет – абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения.

Следует различать клиентские и серверные сокеты. Клиентские сокеты грубо можно сравнить с оконечными аппаратами телефонной сети, а серверные – с коммутаторами. Клиентское приложение (например, браузер) использует только клиентские сокеты, а серверное (например, веб-сервер, которому браузер посылает запросы) – как клиентские, так и серверные сокеты.

Каждый процесс может создать слушающий сокет (серверный сокет) и привязать его к какому-нибудь порту компьютера (тем не менее, в UNIX непривилегированные процессы не могут использовать порты меньше 1024). Слушающий процесс обычно находится в цикле ожидания, то есть просыпается при появлении нового соединения. При этом сохраняется возможность просто проверить наличие соединений на данный момент, установить тайм-аут для операции и так далее.