Межпроцессный обмен

Введение

Из курса ОС известно, что для выполнения таких задач, как совместное использование данных, построение интегрированных многофункциональных приложений и т.д., различным процессам (а также различным потокам) необходимо взаимодействовать между собой. Поскольку процессы изначально задумывались как обособленные сущности, для обеспечения корректного взаимодействия процессов требуются специальные средства и действия операционной системы.

Известно также, что в основе межпроцессного (Inter Process Communications, IPC) обмена обычно находится разделяемый ресурс (например, канал или сегмент разделяемой памяти), и, следовательно, ОС должна предоставить средства для генерации, именования, установки режима доступа и атрибутов защиты таких ресурсов. Обычно такой ресурс может быть доступен всем процессам, которые знают его имя и имеют необходимые привилегии.

Кроме того, организация связи между процессами всегда предполагает установления таких ее характеристик, как:

• направление связи. Связь бывает однонаправленная (симплексная) и двунаправленная (полудуплексная для поочередной передачи информации и дуплексная с возможностью одновременной передачи данных в разных направлениях);
• тип адресации. В случае прямой адресации информация посылается непосредственно получателю, например, процессу P-Send (P, message). В случае непрямой или косвенной адресации информация помещается в некоторый промежуточный объект, например, в почтовый ящик;
• используемая модель передачи данных - потоковая или модель сообщений (см. ниже);
• объем передаваемой информации и сведения о том, обладает ли канал буфером необходимого размера;
• синхронность обмена данными. Если отправитель сообщения блокируется до получения этого сообщения адресатом, то обмен считается синхронным, в противном случае - асинхронным.

Кроме перечисленных у каждой связи есть еще ряд особенностей.

Способы межпроцессного обмена.

Традиционно считается, что основными способами межпроцессного обмена являются каналы и разделяемая память ( рис. 7.1), которые базируются на соответствующих объектах ядра.

Рис. 7.1. Основные способы межпроцессного обмена

В случае разделяемой памяти два или более процессов совместно используют сегмент памяти. Общение происходит с помощью обычных операций копирования или перемещения данных в памяти (средствами обычных языков программирования).

Каналы предполагают созданные средствами операционной системы линии связи. Двумя основными моделями передачи данных по каналу являются поток ввода-вывода и сообщения. При передаче в рамках потоковой модели данные представляют собой неструктурированную последовательность байтов и никак не интерпретируются системой. В модели сообщений на передаваемые данные накладывается некоторая структура, обычно их разделяют на сообщения заранее оговоренного формата.

Ограниченный объем курса не позволяет рассмотреть другие механизмы межпроцессного обмена, реализованные в ОС Windows, например, сокеты, Clipboard или удаленный вызов процедуры (RPC). Исчерпывающая справочная информация на эту тему имеется в MSDN.

Понятие о разделяемом ресурсе

Межпроцессный обмен базируется на разделяемых ресурсах, к которым имеет доступ некоторое множество процессов. При этом возникают задачи создания, именования и защиты таких ресурсов. Обычно один из процессов создает ресурс, наделяет его атрибутами защиты и именем, по которому данный ресурс может быть доступен остальным процессам (даже в случае завершения работы процесса-создателя).

В качестве примера рассмотрим общение через разделяемую память ( рис. 7.2).

Рис. 7.2. Адресные пространства процессов, взаимодействующих через сегмент разделяемой памяти

В ОС Windows сегмент разделяемой памяти создается с помощью Win32-функции CreateFileMapping (см. рис. 7.3). В случае успешного выполнения данной функции создается ресурс - фрагмент памяти, доступный по имени (параметр lpname ), который базируется на соответствующем объекте ядра - "объекте-файле, отображаемом в память" с присущими любому объекту атрибутами. Процессу-создателю возвращается описатель (handle) ресурса. Другие процессы, желающие иметь доступ к ресурсу, также должны получить его описатель. В данном случае это можно сделать с помощью функции OpenFileMapping, указав имя ресурса в качестве одного из параметров.

Рис. 7.3. Создание сегмента разделяемой памяти базируется на разделяемом ресурсе, которому соответствует объект ядра

Способы создания и характеристики файлов, отображаемых в память, будут рассмотрены в Части III курса "Система управления памятью", а в рамках данной темы ограничимся сведениями об обмене информации по каналам связи. При этом не надо забывать, что при любом способе общения в рамках одной вычислительной системы всегда будет использоваться элемент общей памяти. Другое дело, что в случае каналов эта память может быть выделена не в адресном пространстве процесса, а в адресном пространстве ядра системы, как это показано на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Обмен через каналы связи осуществляется через буфер в адресном пространстве ядра системы

Каналы связи

Основной принцип работы канала состоит в буферизации вывода одного процесса и обеспечении возможности чтения содержимого программного канала другим процессом. При этом часто интерфейс программного канала совпадает с интерфейсом обычного файла и реализуется обычными файловыми операциями read и write. Для обмена могут использоваться потоковая модель и модель обмена сообщениями.

Механизм генерации канала предполагает получение процессом-создателем (процессом-сервером) двух описателей (handles) для пользования этим каналом. Один из описателей применяется для чтения из канала, другой - для записи в канал.

Один из вариантов использования канала - это его использование процессом для взаимодействия с самим собой. Рассмотрим следующее изображение системы, состоящей из процесса и ядра, после создания канала ( рис. 7.5):

Рис. 7.5. Общение процесса с самим собой через канал связи

Из этого рисунка легко увидеть, что даже если процесс посылает данные самому себе, они проходят через ядро. Следовательно, для организации таких каналов, а также их именования, в ядре должны быть реализованы элементы файловой системы.

Очевидно, что обмен процесса с самим собой через канал большого смысла не имеет, поэтому обычно через канал взаимодействуют два (или более) процессов. Процесс, создающий канал, принято называть сервером, а другой процесс - клиентом. Для общения с каналом клиент и сервер должны иметь описатели (дескрипторы, handles) для чтения и записи. Процесс-сервер получает описатель при создании канала. Процесс-клиент может получить описатели в результате наследования, в том случае, когда клиент является потомком сервера. Это типично для общения через так называемые анонимные каналы. Другой способ получения - открытие по имени уже существующего именованного канала неродственным процессом, который в результате также становится обладателем необходимых описателей. Если организация доступа к каналу прошла успешно, то схема взаимодействия может выглядеть так, как показано на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Общение процессов через канал связи

Если нужно организовать однонаправленную связь и принято решение о направлении передачи данных, то можно "закрыть" неиспользуемый конец канала. В примере на рис. 7.7 клиент посылает через канал информацию серверу.

Рис. 7.7. Передача информации от клиента серверу через канал связи