Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ОС Unix

Сразу[R16] необходимо отметить, что во всех иллюстрациях организаций взаимодействия процессов будем рассматривать полновесные процессы, т.е. те «классические» процессы, которые представляются в виде обрабатываемой в системе программы, обладающей эксклюзивными правами на оперативную память, а также правами на некоторые дополнительные ресурсы.

Если посмотреть на проблемы взаимодействия процессов, то можно выделить две группы взаимодействия. Первая группа — это взаимодействие процессов, функционирующих под управлением одной ОС на одной локальной ЭВМ. Вторая группа взаимодействия — это взаимодействие в пределах сети. В зависимости от того, к какой группе относится тот или иной механизм, он будет обладать соответствующими свойствами и особенностями.

Рассмотрим взаимодействие в рамках локальной ЭВМ (одной ОС). Первым делом встает общая для обеих упомянутых групп проблема именования взаимодействующих процессов, которая заключается в ответе на вопрос, как, т.е. посредством каких механизмов, взаимодействующие процессы смогут «найти друг друга». В рамках взаимодействия внутри одной ОС можно выделить две основных группы решений данной задачи (Рис. 87).

Рис. 87. Способы организации взаимодействия процессов.

Первая группа способов основана на взаимодействии родственных процессов. При взаимодействии родственных процессов, т.е. процессов, связанных некоторой иерархией родства, ОС обычно предоставляет возможность наследования некоторых характеристик родительских процессов дочерними процессами. И именно за счет наследования различных характеристик возможно реализовать то самое именование. К примеру, в ОС Unix можно передавать по наследству от отца сыну дескрипторы открытых файлов. В данном случае именование будет неявным, поскольку не указываются непосредственно имена процессов.

Другим решением в рамках данной группы взаимодействующих родственных процессов является взаимодействие по цепочке предок–потомок, причем известно, кто из процессов является предком, а кто — потомком. В этом случае существует возможность процессу-предку обращаться к своему потомку посредством явного именования. В качестве имени, например, может выступать идентификатор процесса (PID). А потомок, зная имя предка, может также к нему обратиться.

Так или иначе, но данная группа реализаций взаимодействия родственных процессов основана на том факте, что некоторая необходимая для взаимодействия информация может быть передана по наследству.

Следующая группа — это взаимодействие произвольных процессов в рамках одной локальной машины. Очевидно, что в этом случае отсутствует факт наследования, и поэтому для решения проблемы именования логично использовать следующие механизмы. Во-первых, прямое именование, когда процессы для указания своих партнеров по взаимодействию используют уникальные имена партнеров (например, используя идентификаторы процессов или же по-иному: PID привязывается к некоторому новому уникальному имени, и обращение при взаимодействии происходит с использованием системы этих новых имен). Во-вторых, это может быть взаимодействие посредством общего ресурса. Но в этом случае встает проблема именования этих общих ресурсов.

Итак, мы рассмотрели модели взаимодействия процессов в рамках локальной машины. ОС Unix предоставляет целый спектр механизмов взаимодействия по каждой из указанных групп. В частности, для взаимодействия родственных процессов могут быть использованы такие механизмы, как неименованные каналы и трассировка.

Неименованный канал — это некоторый ресурс, наследуемый сыновьями процессами, причем этот механизм может быть использован для организации взаимодействия произвольных родственников (т.е., условно говоря, можно организовать неименованный канал между «сыном» и его «племянником», и т.п.).

Неименованные каналы — это пример симметричного взаимодействия, т.е., несмотря на то, что ресурс неименованного канала передается по наследству, взаимодействующие процессы в общем случае, абстрагируясь от семантики программы, имеют идентичные права.

Другой моделью взаимодействия является несимметричная модель, которую иногда называют модель «главный–подчиненный». В этом случае среди взаимодействующих процессов можно выделить процессы, имеющие больше полномочий, чем у остальных. Соответственно, у главного процесса (или процессов) есть целый спектр механизмов управления подчиненными процессами.

Для организации взаимодействия произвольных процессов система предоставляет целый спектр средств взаимодействия, среди которых преобладают средства симметричного взаимодействия (т.е. процессам при взаимодействии предоставляются равные права).

Именованные каналы — это ресурс, принадлежащий взаимодействующим процессам, посредством которого осуществляется взаимодействие. При этом не обязательно знать имена процессов-партнеров по взаимодействию.

Передача сигналов — это средство оказания воздействия одним процессом на другой процесс в общем случае (в частности, одним из процессов в этом виде взаимодействия может выступать процесс операционной системы). При этом используются непосредственные имена процессов.

Система IPC (Inter-Process Communication), предоставляющая взаимодействующим процессам общие разделяемые ресурсы, среди которых ниже будут рассмотрены общая память, массив семафоров и очередь сообщений, посредством которых осуществляется взаимодействие процессов. Отметим, что система IPC является некоторым альтернативным решением именованным каналам.

Аппарат сокетов — унифицированное средство организации взаимодействия. На сегодняшний момент сокеты — это не столько средства ОС Unix, сколько стандартизированные средства межмашинного взаимодействия. В аппарате сокетов именование осуществляется посредством связывания конкретного процесса (его идентификатора PID) с конкретным сокетом, через который и происходит взаимодействие.

Итак, мы перечислили некоторые средства взаимодействия процессов в рамках одной локальной машины (точнее сказать, в рамках ОС Unix), но это лишь малая часть существующих в настоящий момент средств организации взаимодействия.

Второй блок организации взаимодействия — это взаимодействие в пределах сети. В данном случае ставится задача организовать взаимодействие процессов, находящихся на разных машинах под управлением различных операционных систем. Та же проблема именования процессов в рамках сети решается достаточно просто.

Пускай у нас есть две машины, имеющие сетевые имена A и B, на которых работают соответственно процессы P₁ и P₂. Тогда, чтобы именовать процесс в сети, достаточно использовать связку «сетевой имя машины + имя процесса внутри этой машины». В нашем примере это будут пары (A–P₁) и (B–P₂).

Но тут встает следующая проблема. В рамках сети могут взаимодействовать машины, находящиеся под управлением операционных систем различного типа (т.е. в сети могут оказаться Windows-машины, FreeBSD-машины, Macintosh-машины и пр.). И система именования должна быть построена так, чтобы обеспечить возможность взаимодействия произвольных машин, т.е. это должно быть стандартизованным (унифицированным) средством. На сегодняшний день наиболее распространенными являются аппарат сокетов и система MPI.

Аппарат сокетов можно рассматривать как базовое средство организации взаимодействия. Этот механизм лежит на уровне протоколов взаимодействия. Он предполагает для обеспечения взаимодействия использование т.н. сокетов, и взаимодействие осуществляется между сокетами. Конкретная топология взаимодействующих процессов зависит от задачи (можно организовать общение одного сокета со многими, можно установить связь один–к–одному и т.д.). В конечном счете, именование сокетов также зависит от топологии: в одном случае необходимо знать точные имена взаимодействующих сокетов, в другом случае имена некоторых сокетов могут быть произвольными (например, в случае клиент–серверной архитектуры обычно имена клиентских сокетов могут быть любыми).

Система MPI (интерфейс передачи сообщений) также является достаточно распространенным средством организации взаимодействия в рамках сети. Эта система иллюстрирует механизм передачи сообщений, речь о котором шла выше (см. раздел 2.4.2). Система MPI может работать на локальной машине, в многопроцессорных системах с распределенной памятью (т.е. может работать в кластерных системах), в сети в целом (в частности, в т.н. GRID-системах).

Далее речь пойдет о конкретных средствах взаимодействия процессов (как в ОС Unix, так и в некоторых других).