Московский физико-технический институт
Опубликован: 12.12.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 4732 / 1264 | Оценка: 4.34 / 4.14 | Длительность: 13:57:00
ISBN: 978-5-94774-827-7
Лекция 7:

Межпроцессный обмен

< Лекция 6 || Лекция 7: 12 || Лекция 8 >
Аннотация: К основным способам межпроцессного обмена традиционно относят каналы и разделяемую память, для организации которых используют разделяемые ресурсы. Анонимные каналы поддерживают потоковую модель, в рамках которой данные представляют собой неструктурированную последовательность байтов. Именованные каналы, поддерживающие как потоковую модель, так и модель, ориентированную на сообщения, обеспечивают обмен данными не только в изолированной вычислительной среде, но и в локальной сети

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.

Основные способы межпроцессного обмена

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).

Адресные пространства процессов, взаимодействующих через сегмент разделяемой памяти

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.

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

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.

Обмен через каналы связи осуществляется через буфер в адресном пространстве ядра системы

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):

Общение процесса с самим собой через канал связи

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.

Общение процессов через канал связи

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.

Передача информации от клиента серверу через канал связи

Рис. 7.7. Передача информации от клиента серверу через канал связи
< Лекция 6 || Лекция 7: 12 || Лекция 8 >
Ирина Оленина
Ирина Оленина
Николай Сергеев
Николай Сергеев

Здравствуйте! Интересует следующий момент. Как осуществляется контроль доступа по тому или иному адресу с точки зрения обработки процессом кода процесса. Насколько я понял, есть два способа: задание через атрибуты сегмента (чтение, запись, исполнение), либо через атрибуты PDE/PTE (чтение, запись). Но как следует из многочисленных источников, эти механизмы в ОС Windows почти не задействованы. Там ключевую роль играет менеджер памяти, задающий регионы, назначающий им атрибуты (PAGE_READWRITE, PAGE_READONLY, PAGE_EXECUTE, PAGE_EXECUTE_READ, PAGE_EXECUTE_READWRITE, PAGE_NOACCESS, PAGE_GUARD: их гораздо больше, чем можно было бы задать для сегмента памяти) и контролирующий доступ к этим регионам. Непонятно, на каком этапе может включаться в работу этот менеджер памяти? Поскольку процессор может встретить инструкцию: записать такие данные по такому адресу (даже, если этот адрес относится к региону, выделенному менеджером памяти с атрибутом, например, PAGE_READONLY) и ничего не мешает ему это выполнить. Таким образом, менеджер памяти остается в стороне не участвует в процессе...

Александра Терентьева
Александра Терентьева
Россия