Сигналы

Сигналы — одно из традиционных средств межпроцессного взаимодействия в UNIX. Сигнал может быть отправлен процессу операционной системой или другим процессом. Операционная система использует сигналы для доставки процессу уведомлений об ошибках и неправильном поведении.

При получении сигнала исполнение процесса приостанавливается и запускается специальная подпрограмма — обработчик сигнала. Обработчики сигналов могут быть явно определены в исходном тексте исполняемой программы, если же они отсутствуют, используется стандартный обработчик, определённый операционной системой.

У сигнала есть только одна характеристика, несущая информацию — его номер (целое число). Иначе говоря, сигналы — это заранее определённый и пронумерованный список сообщений. Для удобства использования каждый сигнал имеет сокращённое буквенное имя. Список сигналов и их имён стандартизован и практически не отличается в различных версиях UNIX. Для отправки сигналов процессам используется специальный системный вызов kill и одноимённая ему пользовательская утилита. Стандарт POSIX определяет 28 сигналов, вот несколько примеров:

• SIGKILL (9) — Сигнал аварийного завершения процесса. По этому сигналу процесс завершается немедленно — без освобождения ресурсов. Этот сигнал не может быть перехвачен, заблокирован или переопределён самим процессом, всегда используется стандартный обработчик опрационной системы. Этот сигнал используется для гарантированного завершения процесса.

• SIGTERM (15) — Сигнал завершения процесса, как правило используется для корректного завершения его работы.

• SIGUSR1 (10) и SIGUSR2 (12) — Зарезервированные сигналы под нужды программистов.

К Сигнальным методам взаимодействия можно также отнести семафоры:

Семафоры

Семафоры имеют 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. Ни один процесс не может быть блокирован во время выполнения операции down, т.е. операция “down” над семафором неделима.

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.

Мьютексы

Мьютекс — упрощенная версия семафора, которая может находиться в одном из двух состояний — блокированном или неблокированном.

Каналы

Канал — поток данных между двумя или несколькими процессами, имеющий интерфейс, аналогичный чтению или записи в файл. Каналы бывают одно- и двунаправленными. В UNIX каналы, как и многие другие системные объекты, представлены в виде файлов, вся работа с ними производится через базовый файловый интерфейс — открытие и закрытие файла, чтение и запись данных и т. п. В этом смысле каналы можно представлять в виде специализированных файлов, которые не хранят информацию, а лишь накапливают её до следующей операции чтения из канала другим процессом, образуя очередь.

По умолчанию в UNIX каждому процессу при запуске ставится в соответствие три открытых файла: стандартного ввода, стандартного вывода и стандартного вывода для ошибок. С помощью средств командной строки такие потоки для разных процессов могут быть объединены так, что, к примеру, вывод одного процесса будет подаваться на ввод другого. То есть процесс работает с тремя потоками данных одинаково вне зависимости от того, обычные это файлы или же каналы. В более общем смысле такие потоки называют неименованными каналами. Канал создаётся по запросу и существует только в ходе работы двух процессов, другие процессы в системе не могут обратиться к этому каналу. Если процесс на одной из сторон канала завершается и закрывает канал, другому процессу посылается специальный сигнал — SIGPIPE.

Другой вид каналов в UNIX — именованные каналы — представляют собой особый тип файлов. Эти файлы располагаются в файловой системе и могут быть открыты любым процессом. Одни процессы записывают данные в канал, другие — читают из него, данные продвигаются по каналу в порядке очереди (FIFO).

Разделяемая память

Самый простой способ «обойти» разделение виртуальных пространств процессов — использование разделяемой памяти. Это специальный механизм, с помощью которого средствами операционной системы два процесса могут обращаться к общему участку физической памяти — каждый через свое адресное пространство.

Для операционной системы этот способ является наиболее простым — ведь все страницы виртуальной памяти процессов в любом случае проецируются на какую-то область физической памяти — так почему бы на ту же область не проецировать часть адресного пространства другого процесса? Самое важное, что такое взаимодействие не требует каких-либо накладных расходов, процессы обмениваются информацией со скоростью обращения к памяти.

Минус: требуется самостоятельно организовывать синхронизацию, и нужно заранее обозначать участки памяти в каждой программе.

Поэтому, разделяемая память — наиболее быстрый способ обмена, но при этом малопригодный для широкого использования. Обычная сфера применения разделяемой памяти — специализированные высокопроизводительные программы.

Не могу не рассказать про POSIX:

POSIX - Portable Operating System Interface (for UniX), то есть стандарт переносимых операционных систем. Точнее, набор стандартов, призванных обеспечить как переносимость самих систем на различные архитектуры, так и работу написанных в соответствие со стандартами приложений в различных ОС. Является почти синонимом термина Unix-подобная операционная система. Разработан в основном для языка Си (и ++).

Работа с многими из перечисленных ранее методов межпроцессного взаимодействия ведется с помощью системных интерфейсов, описанных в POSIX. Помимо этого, в POSIX описана работа внутренних системные службы и механизм управление потоками. Если ОС POSIX-совместимая, это является для нее большим плюсом. Windows в целом не POSIX-совместимая система.