5. Механизмы синхронизации и обмена информацией между процессами (ipc). Разделяемая память, семафоры, именованные и неименованные каналы.

IPC – inter-process communication

Структура механизма синхронизации: Это набор объектов операционной системы, которые создаются и управляются программно, являются общими для всех потоков в системе (некоторые - для потоков, принадлежащих одному процессу) и используются для координирования доступа к ресурсам. В качестве ресурсов может выступать все, что может быть общим для двух и более потоков - файл на диске, порт, запись в базе данных, объект GDI, и даже глобальная переменная программы (которая может быть доступна из потоков, принадлежащих одному процессу).

Объектов синхронизации существует несколько, самые важные из них - это взаимоисключение (mutex), критическая секция (critical section), событие (event) и семафор (semaphore). Каждый из этих объектов реализует свой способ синхронизации. Какой из них следует использовать в каждом конкретном случае. Также в качестве объектов синхронизации могут использоваться сами процессы и потоки (когда один поток ждет завершения другого потока или процесса); а также файлы, коммуникационные устройства, консольный ввод и уведомления об изменении. В чем смысл объектов синхронизации? Каждый из них может находиться в так называемом сигнальном состоянии. Для каждого типа объектов это состояние имеет различный смысл. Потоки могут проверять текущее состояние объекта и/или ждать изменения этого состояния и таким образом согласовывать свои действия. Что еще очень важно - гарантируется, что когда поток работает с объектами синхронизации (создает их, изменяет состояние) система не прервет его выполнения, пока он не завершит это действие. Таким образом, все конечные операции с объектами синхронизации являются атомарными (неделимыми), как бы выполняющимися за один такт.

Средства обмена информацией можно разделить на три категории:

* Сигнальные. Передается минимальное количество информации – один бит, "да" или "нет". Используются, как правило, для извещения процесса о наступлении какого-либо события.

* Канальные. «Общение» процессов происходит через линии связи, предоставленные операционной системой, и напоминает общение людей по телефону. Объем передаваемой информации в единицу времени ограничен пропускной способностью линий связи.

* Разделяемая память. Использование разделяемой памяти для передачи/получения информации осуществляется с помощью средств обычных языков программирования, в то время как сигнальным и канальным средствам коммуникации для этого необходимы специальные системные вызовы. Разделяемая память представляет собой наиболее быстрый способ взаимодействия процессов в одной вычислительной системе.

Семафоры

Одним из первых механизмов, предложенных для синхронизации поведения процессов, стали семафоры, концепцию которых описал Дейкстра (Dijkstra) в 1965 году. Дейкстра предложил две операции, down и up. Операция down сравнивает значение семафора с нулем. Если значение семафора больше нуля, операция down уменьшает его и просто возвращает управление. Если значение семафора равно нулю, процедура down не возвращает управление процессу, а процесс переводится в состояние ожидания. Все операции проверки значения семафора, его изменения и перевода процесса в состояние ожидания выполняются как единое и неделимое элементарное действие. Тем самым гарантируется, что после начала операции ни один процесс не получит доступа к семафору до окончания или блокирования операции. Атомарность операции чрезвычайно важна для разрешения проблемы синхронизации и предотвращения состояния состязания. Операция up увеличивает значение семафора. Если с этим семафором связаны один или несколько ожидающих процессов, которые не могут завершить более раннюю операцию down, один из них выбирается системой (например, случайным образом) и ему разрешается завершить свою операцию down. Таким образом, после операции up, примененной к семафору, связанному с несколькими ожидающими процессами, значение семафора так и останется равным 0, но число ожидающих процессов уменьшится на единицу. Операция увеличения значения семафора и активизации процесса тоже неделима. Ни один процесс не может быть блокирован во время выполнения операции up, как ни один процесс не мог быть блокирован во время выполнения операции wakeup в предыдущей модели.

Канал — поток данных между двумя или несколькими процессами, имеющий интерфейс, аналогичный чтению или записи в файл. Каналы бывают одно- и двунаправленными. Именованному программному каналу (FIFO) обязательно соответствует элемент некоторого каталога и даже собственный i-узел. Другими словами, именованный программный канал выглядит как обычный файл, но не содержащий никаких данных до тех пор, пока некоторый процесс не выполнит в него запись. После того, как некоторый другой процесс прочитает записанные в канал байты, этот файл снова становится пустым. В отличие от неименованных программных каналов, именованные программные каналы могут использоваться для связи любых процессов (т.е. не обязательно процессов, входящих в одну иерархию родства). Интерфейс именованного программного канала практически полностью совпадает с интерфейсом обычного файла (включая системные вызовы open и close), хотя, конечно, необходимо учитывать, что поведение канала отличается от поведения файла.

Неименованный канал является средством взаимодействия между связанными процессами - родительским и дочерним. Родительский процесс создает канал при помощи системного вызова:int pipe(int fd[2]);

Массив из двух целых чисел является выходным параметром этого системного вызова. Если вызов выполнился нормально, то этот массив содержит два файловых дескриптора. fd[0] является дескриптором для чтения из канала, fd[1] - дескриптором для записи в канал. Когда процесс порождает другой процесс, дескрипторы родительского процесса наследуются дочерним процессом, и, таким образом, прокладывается трубопровод между двумя процессами. Естественно, что один из процессов использует канал только для чтения, а другой - только для записи (сами представьте себе, что произойдет, если это правило будет нарушаться). Поэтому, если, например, через канал должны передаваться данные из родительского процесса в дочерний, родительский процесс сразу после запуска дочернего процесса закрывает дескриптор канала для чтения, а дочерний процесс закрывает дескриптор для записи.

Вывод:

Разделяемую память применяют для того, чтобы увеличить скорость прохождения данных между процессами. В обычной ситуации обмен информацией между процессами проходит через ядро. Техника разделяемой памяти позволяет осуществить обмен информацией не через ядро, а используя некоторую часть виртуального адресного пространства, куда помещаются и откуда считываются данные.

После создания разделяемого сегмента памяти любой из пользовательских процессов может подсоединить его к своему собственному виртуальному пространству и работать с ним, как с обычным сегментом памяти. Недостатком такого обмена информацией является отсутствие каких бы то ни было средств синхронизации, однако для преодоления этого недостатка можно использовать технику семафоров.

Примерный сценарий использования разделяемой памяти при реализации технологий «клиент - сервер» имеет вид:

1. сервер получает доступ к разделяемой памяти, используя семафор;

2. сервер производит запись данных в разделяемую память;

3. после завершения записи данных сервер освобождает доступ к разделяемой памяти с помощью семафора;

4. клиент получает доступ к разделяемой памяти, запирая доступ к этой памяти для других процессов с помощью семафора;

5. клиент производит чтение данных из разделяемой памяти, а затем освобождает доступ к памяти с помощью семафора.

Семафор – объект, позволяющий войти в заданный участок кода не более чем n потокам. Над семафором возможно проведение только двух операций - “открытия” и “закрытия”, названных соответственно P- и V- операциями. Существенно, что операции над семафорами являются неделимыми (непрерываемыми), поэтому их часто называют примитивами.

Пытаясь пройти через семафор, процесс пытается вычесть из значения переменной 1. Если значение переменной больше или равно 1, процесс проходит сквозь семафор успешно (семафор открыт). Если переменная равна нулю (семафор закрыт), процесс останавливается и ставится в очередь. Таким образом, семафор выполняет роль вспомогательного критического ресурса. Закрытие семафора соответствует захвату ресурса, доступ к которому контролируется этим семафором. Процесс, закрывший семафор, захватывает ресурс. Если ресурс захвачен, остальные процессы вынуждены ждать его освобождения. Закончив работу с ресурсом, процесс увеличивает значение семафора на единицу, открывая его. При этом первый из стоявших в очереди процессов активизируется, вычитает из значения семафора единицу, и снова закрывает семафор. Если же очередь была пуста, то ничего не происходит, просто семафор остается открытым. Тогда первый процесс, подошедший к семафору, успешно пройдет через него. Это действительно похоже на работу железнодорожного семафора, контролирующего движение поездов по одноколейной ветке.

Наиболее простым случаем семафора является двоичный семафор. Начальное значение такого семафора равно 1, и вообще она может принимать только значения 1 и 0. Двоичный семафор соответствует случаю, когда с разделяемым ресурсом в каждый момент времени может работать только одна программа.

Семафоры общего вида могут принимать любые целочисленные значения. Значение семафора большее 1 соответствует случаю, когда несколько процессов могут работать с ресурсом одновременно, или когда ресурс состоит из нескольких независимых, но равноценных частей - например, несколько одинаковых принтеров

В схеме обмена данными между двумя процессами (клиентом и сервером), использующими разделяемую память, должна функционировать группа из двух семафоров. Первый семафор служит для блокирования доступа к разделяемой памяти, его разрешающий сигнал – 1, а запрещающий – 0. второй семафор служит для сигнализации сервера о том, что клиент начал работу, при этом доступ к разделяемой памяти блокируется и клиент читает данные из памяти. Теперь при вызове операции сервером, его работа будет приостановлена до освобождения памяти клиентом.

Программный канал в Unix/Linux представляет собой одно из средств взаимодействия между процессами. Само название (pipe, дословно – трубка) достаточно точно передает смысл функционирования этого средства. Канал подобен трубопроводу, проложенному между двумя процессами, и по этому трубопроводу процессы могут пересылать друг другу данные. Подобно трубопроводу, канал имеет собственную емкость, данные, направленные в канал процессом-отправителем, не обязательно должны быть немедленно прочитаны процессом-получателем, но могут накапливаться в канале. Как и у трубопровода, емкость канала конечна, когда она будет исчерпана, запись в канал становится невозможной.

Неименованный канал является средством взаимодействия между связанными процессами - родительским и дочерним. Существует анонимно и только во время выполнения процесса.

Именованный канал — существует в системе и после завершения процесса. Он должен быть «отсоединён» или удалён когда уже не используется.