Вызов удаленных процедур

Еще одним удобным механизмом, облегчающим взаимодействие операционных систем и приложений по сети, является механизм вызова удаленных процедур (Remote Procedure Call, RPC). Этот механизм представляет собой надстройку над системой обмена сообщениями ОС, поэтому в ряде случаев он позволяет более удобно и прозрачно организовать взаимодействие программ по сети, од­нако его полезность не универсальна.

Концепция удаленного вызова процедур

Идея вызова удаленных процедур состоит в расширении хорошо известного и понятного механизма передачи управления и данных внутри программы, выполняющейся на одной машине, на передачу управления и данных через сеть. Средства удаленного вызова процедур предназначены для облегчения организации распределенных вычислений. Впервые механизм RPC реализовала компания Sun Microsystems, и он хорошо соответствует девизу «Сеть — это компьютер», взятому этой компанией на вооружение, так как приближает сетевое программирование к локальному. Наибольшая эффективность RPC достигается в тех приложениях, в которых существует интерактивная связь между удаленными компонентами с небольшим временем ответов и относительно малым количеством передаваемых данных. Такие приложения называются RPC-ориентированными.

Характерными чертами вызова локальных процедур являются:

• асимметричность — одна из взаимодействующих сторон является инициатором взаимодействия;

• синхронность — выполнение вызывающей процедуры блокируется с момента выдачи запроса и возобновляется только после возврата из вызываемой процедуры.

Реализация удаленных вызовов существенно сложнее реализации локальных. Начнем с того, что поскольку вызывающая и вызываемая процедуры выполняются на разных машинах, то они имеют разные адресные пространства, и это создает проблемы при передаче параметров и результатов, особенно если машины и их операционные системы не идентичны. Так как RPC не может рас­считывать на разделяемую память, это означает, что параметры RPC не должны содержать указателей на ячейки памяти и что значения параметров должны как-то копироваться с одного компьютера на другой.

Следующим отличием удаленного вызова от локального является то, что хотя он обязательно использует нижележащую систему обмена сообщениями, это не должно быть явно видно ни в определении процедур, ни в самих процедурах. Удаленность вносит дополнительные проблемы. Выполнение вызывающей программы и вызываемой локальной процедуры на одной машине реализуется в рамках единого процесса. Но в реализации RPC участвуют как минимум два процесса — по одному в каждой машине. В случае если один из них аварийно завершится, могут возникнуть следующие ситуации:

• при аварии вызывающей процедуры удаленно вызванные процедуры становятся «осиротевшими»;

• при аварийном завершении удаленных процедур становятся «обездоленными родителями» вызывающие процедуры, которые безрезультатно ожидают ответа от удаленных процедур.

Кроме того, существует ряд проблем, связанных с неоднородностью языков программирования и операционных сред: структуры данных и структуры вызова процедур, поддерживаемые в каком-либо одном языке программирования, не поддерживаются точно таким же способом в других языках.

Рассмотрим, каким образом технология RPC, лежащая в основе многих распределенных операционных систем, решает эти проблемы.

Чтобы понять, как работает RPC, рассмотрим сначала выполнение вызова локальной процедуры на автономном компьютере. Пусть это, например, будет процедура записи данных в файл:

m = my_write(fd, but, length);

Здесь fd — дескриптор файла, целое число, buf — указатель на массив сим­волов, length — длина массива, целое число.

Чтобы осуществить вызов, вызывающая процедура помещает указанные параметры в стек в обратном порядке и передает управление вызываемой процедуре my_write. Эта пользовательская процедура после некоторых манипуляций с данными символьного массива buf выполняет системный вызов write для записи данных в файл, передавая ему параметры тем же способом, то есть помещая их в стек (при реализации системного вызова они копируются в стек системы, а при возврате из него результат помещается в пользовательский стек). После того как процедура my_write выполнена, она помещает возвращае­мое значение m в регистр, перемещает адрес возврата и возвращает управление вызывающей процедуре, которая выбирает параметры из стека, возвращая его в исходное состояние.

Заметим, что в языке С параметры могут вызываться по ссылке (by name), представляющей собой адрес глобальной области памяти, в которой хранится параметр, или по значению (by value), в этом случае параметр копируется из исходной области памяти в локальную память процедуры, располагаемую обычно в ,стековом сегменте. В первом случае вызываемая процедура работает с оригинальными значениями параметров, и их изменения сразу же видны вызывающей процедуре. Во втором случае вызываемая процедура работает с копиями значений параметров, и их изменения никак не влияют на значение оригиналов этих переменных в вызывающей процедуре. Эти обстоятельства весьма существенны для RPC.

Решение о том, какой механизм передачи параметров использовать, принимается разработчиками языка. Иногда это зависит от типа передаваемых данных. В языке С, например, целые и другие скалярные данные всегда передаются по значению, а массивы — по ссылке.

Рисунок иллюстрирует передачу параметров вызываемой процедуре: стек до выполнения вызова write (рис. 10.6, а), стек во время выполнения процедуры (рис. 10.6, б), стек после возврата в вызывающую программу (рис. 10.6, в).

Рис. 10.6. Передача параметров вызываемой процедуре

Идея, положенная в основу RPC, состоит в том, чтобы вызов удаленной процедуры по возможности выглядел так же, как и вызов локальной процедуры. Другими словами, необходимо сделать механизм RPC прозрачным для программиста: вызывающей процедуре не требуется знать, что вызываемая процедура находится на другой машине, и наоборот.

Механизм RPC достигает прозрачности следующим образом. Когда вызываемая процедура действительно является удаленной, в библиотеку процедур вместо локальной реализации оригинального кода процедуры помещается другая версия процедуры, называемая клиентским стабом (stub — заглушка). На удаленный компьютер, который исполняет роль сервера процедур, помещается оригинальный код вызываемой процедуры, а также еще один стаб, называемый серверным стабом. Назначение клиентского и серверного стабов — организовать передачу параметров вызываемой процедуры и возврат значения процедуры через сеть так, чтобы код оригинальной процедуры, помещенной на сервер, был полностью сохранен. Стабы используют для передачи данных через сеть средства подсистемы обмена сообщениями, то есть существующие в ОС примитивы send и receive. Иногда в подсистеме обмена сообщениями выделяется программный модуль, организующий связь стабов с примитивами передачи сообщений, называемый модулем RPC Runtime.

Подобно оригинальной процедуре, клиентский стаб вызывается путем обычной передачи параметров через стек (как показано на рис. 10.6), однако затем вместо выполнения системного вызова, работающего с локальным ресурсом, происходит формирование сообщения, содержащего имя вызываемой процедуры и ее параметры (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Выполнение удаленного вызова процедуры

Эта операция называется упаковкой параметров. После упаковки клиентский стаб обращается к примитиву send для передачи сформированного сооб­щения удаленному компьютеру, на который помещена реализация оригиналь­ной процедуры. Получив из сети сообщение, ядро ОС удаленного компьютера вызывает серверный стаб. Для получения сообщения серверный стаб должен предварительно вызвать примитив receive, чтобы ядро знало, для кого пришло сообщение. Серверный стаб распаковывает параметры вызова, имеющиеся в сообщении, и обычным образом вызывает оригинальную процедуру, передавая ей параметры через стек. После окончания работы процедуры серверный стаб упаковывает результат ее работы в новое сообщение и с помощью примитива send передает сообщение по сети клиентскому стабу, и тот возвращает обычным образом результат и управление вызывающей процедуре. Ни вызывающая процедура, ни оригинальная вызываемая процедура не изменяются оттого, что выполняются на разных компьютерах.