Методы взаимодействия процессов

Коммуникация процессов

Рассмотрим теперь возможные механизмы для непосредственной коммуникации процессов и синхронизации их действий.

Наиболее распространенный из них - система сообщений ; при этом процессы взаимодействуют между собой без обращений к общим переменным (сравните с алгоритмами производителя и потребителя раздела 9.4).

Средства коммуникации между процессами обеспечивают две операции вида:

• send (message ) – отправка сообщения message ; размер сообщения может быть постоянным или переменным;
• receive (message ) – получение сообщения в буфер message.

Если процессам P и Q требуется взаимодействовать между собой, им необходимо:

• Установить связь (communication link) друг с другом
• Обменяться сообщениями вида send/receive.

Реализация связи может быть физической (общая память, аппаратная шина) или логической (например, логические свойства).

При реализации коммуникационного механизма между процессами необходимо решить следующие вопросы:

• Как устанавливается связь?
• Можно ли установить связь более чем двух процессов?
• Сколько связей может быть установлено между двумя заданными процессами?
• Какова пропускная способность линии связи?
• Является ли длина сообщения по линии связи постоянной или переменной?
• Является ли связь ненаправленной или двунаправленной (дуплексной)?

Будем использовать данный контрольный список вопросов при анализе различных способов коммуникации процессов.

Непосредственная коммуникация процессов

При непосредственной коммуникации (direct communication) процессы именуют друг друга явно – по именам или по адресам (указателям), которые указываются в вызовах коммуникационных примитивов, например:

• send (P, message ) – послать сообщение процессу P ;
• receive (Q, message ) – получить сообщение от процесса Q.

При данном способе коммуникации свойства линии связи, согласно контрольному списку раздела 9.5, следующие:

• Связь устанавливается автоматически (ее реализуют операционная система или отдельные коммуникационные инструменты).
• Связь ассоциируется только с одной парой взаимодействующих процессов.
• Между каждой парой процессов всегда только одна связь.
• Связь может быть ненаправленной, но, как правило, она двунаправленная (процесс может получить сообщение от другого явно заданного процесса и принять от него сообщение)..

Косвенная коммуникация процессов

При косвенной коммуникации (indirect communication) сообщения направляются и получаются через почтовые ящики ( mailboxes ), или порты ( ports ) – системные структуры, предназначенные для приема, хранения и передачи сообщений. Для определенности будем использовать термин почтовый ящик.

Каждый почтовый ящик имеет уникальный идентификатор.

Процессы могут взаимодействовать, только если они имеют общий почтовый ящик.

Свойства линии связи, согласно списку раздела 9.4, в этом случае следующие:

• Связь устанавливается, только если процессы имеют общий почтовый ящик.
• Связь одного процесса может быть установлена со многими процессами (которым доступен тот же почтовый ящик).
• Каждая пара процессов может иметь несколько линий связи (так как сообщения могут посылаться через различные почтовые ящики).
• Связь может быть ненаправленной или двунаправленной.

При косвенном способе коммуникации процессы используют набор операций вида:

• Создать новый почтовый ящик.
• Отправить (принять) сообщение через почтовый ящик.
• Удалить почтовый ящик

Основные операции коммуникации принимают вид:

• send (A, message ) – послать сообщение в почтовый ящик A.
• receive (A, message ) – получить сообщение из почтового ящика A.

Как мы видим, в данном случае не используются адреса или имена процессов-корреспондентов; вместо них задаются имена почтовых ящиков.

Чтобы лучше осознать суть и особенности данного метода коммуникации, проведем следующую аналогию. Представьте себе очень привычную для Вас электронную почту, которой Вы пользуетесь каждый день. Вы имеете один или несколько почтовых ящиков (email-адресов) и можете послать через любой из них электронное письмо Вашему корреспонденту. При приеме электронной почты Вы обычно задаете режим типа " receive all" (принять все сообщения со всех адресов), т.е. устанавливаете последовательно несколько линий связи с корреспондентами. Аналогичным образом и взаимодействуют процессы при косвенном способе коммуникации. Понятны и возможные проблемы, и способы их решения в обоих случаях: например, если один адрес (почтовый ящик) не работает, можно попытаться послать сообщение через другой. Однако есть и отличия: при отправке электронной почты через некоторый почтовый ящик Вы все же явно указываете email-адрес получателя. С процессами дело обстоит иначе, из-за чего могут возникнуть проблемы.

Вот возможная проблема, возникающая при использовании общего почтового ящика. Пусть процессы P1, P2,и P3 используют почтовый ящик A. P1, посылает сообщение; P2 и P3 принимают. Возникает вопрос: кто (какой из процессов) получает сообщение? Выражаясь более научно, возникает недетерминированная ситуация, что создает ненадежность и небезопасность. Как решить данную проблему? Вот возможные решения:

• Ограничить связь только двумя процессами;
• Разрешить только одному процессу в каждый момент исполнять операцию получения;
• Разрешить системе произвольным образом определить получателя;
• Отправитель нотифицируется, кто является получателем.

Очевидно, что каждое из решений имеет свои достоинства и недостатки.

При косвенной связи процессов может оказаться необходимой синхронизация.Дело в том, что передача сообщений может выполняться с блокировкой (синхронно) или без блокировки (асинхронно). Соответственно, основные операции send и receive могут быть с блокировкой или без блокировки.

Буферизация и очередь сообщений

С коммуникационной линией связывается очередь сообщений, реализованная одним из трех возможных способов:

1. Нулевая емкость очереди сообщений означает, что сообщения не могут храниться в очереди. Поэтому при использовании данного способа отправитель должен ждать получателя. Такая схема коммуникации называется рандеву (rendezvous) и используется, например, в языке Ада.
2. Ограниченная емкость очереди сообщений – конечная длина очереди, в которой может храниться максимум n сообщений. Данный способ является общеупотребительным, однако в данном случае, как уже отмечалось, необходимо предотвратить опасность атаки "buffer overrun", т.е. в любой операции проверять длину буфера (очереди). Отправитель должен ждать, если очередь заполнена.
3. Неограниченная емкость очереди сообщений – (теоретически) она имеет бесконечную длину. В данном случае отправитель никогда не ждет.