Обмен данными между Процессами и потоками

Если абстрагироваться от вопросов синхронизации, то обмен данными между потоками одного процесса не представляет никакой сложности — имея общее адресное пространство и общие открытые файлы, потоки получают беспрепятственный доступ к данным друг друга. Другое дело — обмен данными потоков, выполняющихся в рамках разных процессов. Для защиты процессов друг от друга ОС возводит мощные изолирующие преграды, которые не только защи­щают процессы, но и не позволяют им передавать друг другу данные. Потоки разных процессов работают в разных адресных пространствах. Однако операционная система имеет доступ ко всем областям памяти, поэтому она может играть роль посредника в информационном обмене прикладных потоков. При необходимости в обмене данными поток обращается с запросом к ОС. По этому запросу ОС, пользуясь своими привилегиями, создает различные системные средства связи, такие, например, как конвейеры или очереди сообщений.

Эти средства, так же как рассмотренные ранее средства синхронизации процессов, относятся к классу средств межпроцессного взаимодействия (InterProcess Communications, IPC).

Многие из средств межпроцессного обмена данными выполняют также и функции синхронизации: в том случае, когда данные для процесса-получателя

отсутствуют, последний переводится в состояние ожидания средствами ОС, а при поступлении данных от процесса-отправителя процесс-получатель активизируется.

Набор средств межпроцессного обмена данными в большинстве современных ОС выглядит следующим образом:

• конвейеры (pipes);

• именованные конвейеры (named pipes);

• очереди сообщений (message queues);

• разделяемая память (shared memory).

Кроме этого, достаточно стандартного набора средств, в конкретных ОС часто имеются и более специфические средства межпроцессного обмена, например средства среды STREAMS для различных версий Unix или почтовые ящики (mail slots) в ОС Windows.

Конвейеры

Конвейеры как средство межпроцессного обмена данными впервые появились в операционной системе Unix. Системный вызов pipe позволяет двум процессам обмениваться неструктурированным потоком байтов. Конвейер представляет собой буфер в оперативной памяти, поддерживающий очередь байтов по алгоритму FIFO. Для программиста, использующего системный вызов pipe, этот буфер выглядит как безымянный файл, в который можно писать и из которого можно читать, осуществляя тем самым обмен данными.

Системный вызов pipe имеет одно существенное ограничение — обмениваться данными могут только родственные процессы, точнее процессы, которые имеют общего прародителя, создавшего данный конвейер. Если операционная система поддерживает потоки, то это же ограничение будет означать, что конвейером могут воспользоваться только потоки, относящиеся к такого рода процессам. Ограничение проистекает из-за того, что указанный конвейер не имеет имени, а обращение к нему происходит по дескриптору файла, который, как уже отмечалось, имеет локальное для каждого процесса значение.

При выполнении системного вызова pipe в процесс возвращаются два дескриптора файла, один для записи данных в конвейер, другой для чтения данных из конвейера. Обычно для выполнения некоторой общей работы ведущий процесс сначала создает конвейер, а затем — несколько процессов-потомков с помощью соответствующего системного вызова. В результате механизм наследования процессов копирует для всех процессов-потомков значения дескрипторов, указывающих на один и тот же конвейер, так что все кооперирующиеся процессы, включая процесс-прародитель, могут использовать этот конвейер для обмена данными. Данные читаются из конвейера с помощью системного вызова read с использованием первого из возвращенных вызовом pipe дескрипторов файла, а записываются в конвейер с помощью системного вызова write с использованием второго дескриптора. Синтаксис системных вызов read и write тот же, что и при работе с обычными файлами.

Конвейер обеспечивает автоматическую синхронизацию процессов — если при использовании системного вызова read в буфере конвейера нет данных, то процесс, обратившийся к ОС с системным вызовом read, переводится в состояние ожидания и активизируется при появлении данных в буфере.

Механизм конвейеров доступен не только программистам, но и пользователям большинства современных операционных систем. Именно системные вызовы рiре задействуются оболочкой (командным процессором) операционной системы для организации конвейера команд, когда выходные данные одной команды пользователя становятся входными данными для другой команды. Примером такого конвейера команд может служить показанная ниже строка командного интерпретатора shell ОС Unix, которая передает выходные данные команды ls (чтение списка имен файлов текущего каталога) на вход команды wc (подсчет слов) с ключом -l:

ls | wc -1

Результатом работы этой командной строки будет количество файлов в текущем каталоге.