4.2.3. Технологии передачи сообщений

Рассмотрим методы передачи сообщений, которые применяют на практике.

• Каналы

Канал - это простейшее средство передачи сообщений.

Он является циклическим буфером, запись в который выполняют с помощью одного процесса, а чтение – с помощью другого. В конкретный момент времени к каналу имеет доступ только один процесс. Операционная система обеспечивает синхронизацию согласно правилу: если процесс старается записывать в канал, в котором нет места, или старается считать больше данных, чем помещено в канал, он переходит в состояние ожидания.

Различают безымянные и именные каналы.

К безымянным каналам нет доступа с помощью средств именования, поэтому процесс не может открыть уже имеющийся безымянный канал без его дескриптора. Это означает, что такой процесс должен получить дескриптор канала от процесса, который его создал, а это возможно только для связанных процессов.

К именным каналам (named pipes) доступ осуществляется по именам. Такому каналу может отвечать, например, файл в файловой системе, при этом любой процесс, который имеет доступ к этому файла, может обмениваться данными через соответствующий канал. Поименованые каналы реализуют косвенный обмен данными.

Обмен данными через канал может быть односторонним и двусторонним.

• Очереди сообщений

Другой технологией асинхронного косвенного обмена данными являются применение очередей сообщений. Для таких очередей выделяют специальное место в системном участке памяти ОС, доступное для приложений пользователя. Процессы могут создавать новые очереди, отсылать сообщение в конкретную очередь и получать их оттуда. С очередью одновременно может работать несколько процессов.

Сообщение - это структуры данных сменной длины.

Для того чтобы процессы могли различать адресованные им сообщение, каждому из них присваивают тип. Отосланное сообщение остается в очереди до тех пор, пока не будет считанное. Синхронизация во время работы с очередями похожа на синхронизацию для каналов.

• Сокеты

Наиболее расспространенным методом обмена сообщениями являются использования сокетов (sockets). Эта технология прежде всего предназначена для организации сетевого обмена данными, но может быть использованная и для взаимодействия между процессами на одном компьютере (собственно, сетевое взаимодействие можно понимать как обобщение ІРС).

Сокет - это абстрактная конечная точка соединения, через которую процесс может отсылать или получать сообщение.

Обмен данными между двумя процессами осуществляют через пару сокетов, по одном на каждый процесс. Абстрактность сокета заключается в том, что он скрывает особенности реализации передачи сообщений - после того как сокет создан, работа с ним не зависит от технологии передачи данных, поэтому один и тот самый код можно без больших изменений использовать для работы с разными протоколами связи.

Особенности протокола передачи данных и формирование адреса сокета определяет коммуникационный домен; его нужно отмечать во время создания каждого сокета. Примерами доменов могут быть домен Интернета (который задает протокол связи на базе ТСР/ІР) и локальный домен или домен UNIX, который реализует связь с использованием имени файла (подобно одноименному каналу).

Сокет можно использовать в объединении только с одним коммуникационным доменом. Адрес сокета зависит от домена (например, для сокетов домену UNIX таким адресом будет имя файла).

Способы передачи данных через сокет определяются его типом. В конкретном домене могут поддерживаться или не поддерживаться разные типы сокетoв.

Например, и для домена Интернет, и для домена UNIX поддерживаются сокеты таких типов:

• потоковый (stream sockets) - задают надежный двусторонний обмен данными сплошным потоком без выделения границ (операция чтения данных возвращает столько данных, сколько запрошено или сколько было на этот момент переданo);

• дейтаграмный (datagram sockets) - задают ненадежный двусторонний обмен сообщениями с выделением границ (операция чтения данных возвращает размер того сообщения, которое было отослано).

Во время обмена данными с использованием сокетoв обычно применяется технология клиент-сервер, когда один процесс (сервер) ожидает соединение, а другой (клиент) соединяют с ним.

Перед тем как начать работать с сокетами, любой процесс (и клиент, и сервер) должны создать сокет с помощью системного вызова sockets(). Параметрами этого вызова задают коммуникационный домен и тип сокета. Этот вызов возвращает сокету дескриптор - уникальное значение, с помощью которого можно будет обращаться к этому сокету.

Дальнейшие действия отличаются для сервера и клиента. Сначала рассмотрим последовательность шагов, которую нужно выполнить для сервера.

1. Сокет связывается с адресом с помощью системного вызова bind().

Для сокетов домена UNIX как адрес задают имя файла, для сокетов домена Интернет - необходимые характеристики сетевого соединения.

Дальше клиент для установления соединения и обмена сообщениями будет указывать этот адрес.

2. Сервер дает возможность клиентам устанавливать соединение, выполнив системный вызов listen() для дескриптора сокета, созданного раньше.

3. После выхода из системного вызова listen() сервер готов принимать от клиентов запрос на соединение. Эти запросы выстраиваются в очередь. Для получения запроса из этой очереди и создание соединения используют системный вызов assept(). Вследствие его выполнения у применение возвращают новый сокет для обмена данными с клиентом. Старый сокет можно использовать дальше для приема новых запросов на соединение. Если во время вызова assept() запрос на соединение в очереди отсутствуют, сервер переходит в состояние ожидания.

Для клиента последовательность действий после создания сокета совсем другая. Вместо трех шагов достаточно выполнить один - установить соединение с использованием системного вызова correct(). Параметрами этого вызова задают дескриптор созданного раньше сокета, а также адрес, подобный указанного на сервере для вызова bind().

После установления соединения (и на клиенте, и на сервере) появится возможность передавать и принимать данные с использованием этого соединения. Для передачи данных применяют системный вызов send(), а для приема — recv(). Указанную последовательность шагов используют для установления надежного соединения. Если все, что нам нужно, - это отослать и принять конкретное сообщение фиксированной длины, то соединение можно и не создавать совсем. Для этого как отправитель, так и получатель сообщения должны предварительно связать сокет с адресами через вызов bind(). Потом можно воспользоваться вызовами прямой передачи данных: sendto() - для отправителя и recvfrom() - для получателя. Параметрами этих вызовов задают адреса получателя и отправителя, а также адреса буферов для данных.

• Отдаленный вызов процедур

Технология отдаленного вызова является примером синхронного обмена сообщениями с подтверждением получения.

Рассмотрим последовательность шагов, необходимых для обмена данными в этом случае.

1. Операцию send оформляют как вызов процедуры с параметрами.

1. После вызова такой процедуры отправитель переходит в состояние ожидания, а данные (имя процедуры и параметры) доставляются получателю. Получатель может находиться на том самом компьютере, или на отдаленной машине; технология КРС скрывает это. Классический отдаленный вызов процедур предусматривает, что процесс-получатель создаётся вследствие запроса.

2. Получатель выполняет операцию receive и на основании поступивших данных выполняет соответствующие действия (вызывает локальную процедуру по имени, передает ей параметры и вычисляет результат).

2. Вычисленный результат возвращают отправителю как отдельное сообщение.

3. После получения этого сообщения отправитель продолжает свою работу, рассматривая вычисленный результат как следствие вызова процедуры.

Выводы

• Потоки разных процессов, которые взаимодействуют, должны использовать средства межпроцессорного взаимодействия, задачами которой являются обеспечения обмена данными между защищенными адресными пространствами, а также их синхронизация. К основным видам межпроцессорного взаимодействия принадлежат передачи сообщений, распределенная и отображаемая память.

• Главной особенностью передачи сообщений является то, что эта технология не требует наличия совместно используемых данных. Процессы обмениваются сообщениями сменной длины с помощью примитивов send и receive. Эта технология может быть применена для организации взаимодействия между процессами, выполняемыми на отдаленных компьютерах.

Контрольные вопросы и задачи

1. Предположим, что к коммуникационному каналу, предоставленному ОС, могут «подключаться» два процесса. Какие синхронизационные примитивы на равные ядра ОС могут быть использованы для обмена данными этим каналом соответственно технологии программных каналов (ріреs)? В качестве примера ОС возьмите систему Linux.

2. Пересчитайте возможные отличия реализации очереди сообщений и программного канала на равные ядра ОС.

3. Система обмена сообщениями предоставляет примитивы send и receive. Примитив receive приостанавливает процесс, если нет сообщений, предназначенных для него. Возможное ли взаимное блокирование процессов, если не учитывать других сообщений, а общих данных у процессов нет?

4. Пересчитайте общие черты и отличия именованых каналов и сокетов.