При рассмотрении любого из средств коммуникации нас будет интересовать не их физическая реализация (общая шина данных, прерывания, аппаратно разделяемая память и т. д.), а логическая, определяющая в конечном счете механизм их использования. Некоторые важные аспекты логической реализации являются общими для всех категорий средств связи, некоторые относятся к отдельным категориям. Давайте кратко охарактеризуем основные вопросы, требующие разъяснения при изучении того или иного способа обмена информацией.
Могу ли я использовать средство связи непосредственно для обмена информацией сразу после создания процесса или первоначально необходимо предпринять определенные действия для инициализации обмена? Например, для использования общей памяти различными процессами потребуется специальное обращение к операционной системе, которая выделит необходимую область адресного пространства. Но для передачи сигнала от одного процесса к другому никакая инициализация не нужна. В то же время передача информации по линиям связи может потребовать первоначального резервирования такой линии для процессов, желающих обменяться информацией.
К этому же вопросу тесно примыкает вопрос о способе адресации при использовании средства связи. Если я передаю некоторую информацию, я должен указать, куда я ее передаю. Если я желаю получить некоторую информацию, то мне нужно знать, откуда я могу ее получить.
Различают два способа адресации: прямую и непрямую. В случае прямой адресации взаимодействующие процессы непосредственно общаются друг с другом, при каждой операции обмена данными явно указывая имя или номер процесса, которому информация предназначена или от которого она должна быть получена. Если и процесс, от которого данные исходят, и процесс, принимающий данные, указывают имена своих партнеров по взаимодействию, то такая схема адресации называется симметричной прямой адресацией. Ни один другой процесс не может вмешаться в процедуру симметричного прямого общения двух процессов, перехватить посланные или подменить ожидаемые данные. Если только один из взаимодействующих процессов, например передающий, указывает имя своего партнера по кооперации, а второй процесс в качестве возможного партнера рассматривает любой процесс в системе, например ожидает получения информации от произвольного источника, то такая схема адресации называется асимметричной прямой адресацией.
При непрямой адресации данные помещаются передающим процессом в некоторый промежуточный объект для хранения данных, имеющий свой адрес, откуда они могут быть затем изъяты каким-либо другим процессом. Примером такого объекта может служить обычная доска объявлений или рекламная газета. При этом передающий процесс не знает, как именно идентифицируется процесс, который получит информацию, а принимающий процесс не имеет представления об идентификаторе процесса, от которого он должен ее получить.
При использовании прямой адресации связь между процессами в классической операционной системе устанавливается автоматически, без дополнительных инициализирующих действий. Единственное, что нужно для использования средства связи, – это знать, как идентифицируются процессы, участвующие в обмене данными.
При использовании непрямой адресации инициализация средства связи может и не требоваться. Информация, которой должен обладать процесс для взаимодействия с другими процессами, – это некий идентификатор промежуточного объекта для хранения данных, если он, конечно, не является единственным и неповторимым в вычислительной системе для всех процессов.
Следующий важный вопрос – это вопрос об информационной валентности связи. Слово «валентность» здесь использовано по аналогии с химией. Сколько процессов может быть одновременно ассоциировано с конкретным средством связи? Сколько таких средств связи может быть задействовано между двумя процессами?
Понятно, что при прямой адресации только одно фиксированное средство связи может быть задействовано для обмена данными между двумя процессами, и только эти два процесса могут быть ассоциированы с ним. При непрямой адресации может существовать более двух процессов, использующих один и тот же объект для данных, и более одного объекта может быть использовано двумя процессами.
К этой же группе вопросов следует отнести и вопрос о направленности связи. Является ли связь однонаправленной или двунаправленной? Под однонаправленной связью мы будем понимать связь, при которой каждый процесс, ассоциированный с ней, может использовать средство связи либо только для приема информации, либо только для ее передачи. При двунаправленной связи каждый процесс, участвующий в общении, может использовать связь и для приема, и для передачи данных. В коммуникационных системах принято называть однонаправленную связь симплексной, двунаправленную связь с поочередной передачей информации в разных направлениях – полудуплексной, а двунаправленную связь с возможностью одновременной передачи информации в разных направлениях – дуплексной. Прямая и непрямая адресация не имеет непосредственного отношения к направленности связи.
Как уже говорилось выше, передача информации между процессами посредством линий связи является достаточно безопасной по сравнению с использованием разделяемой памяти и более информативной по сравнению с сигнальными средствами коммуникации. Кроме того, разделяемая память не может быть использована для связи процессов, функционирующих на различных вычислительных системах. Возможно, именно поэтому каналы связи из средств коммуникации процессов получили наибольшее распространение. Коснемся некоторых вопросов, связанных с логической реализацией канальных средств коммуникации.
Может ли линия связи сохранять информацию, переданную одним процессом, до ее получения другим процессом или помещения в промежуточный объект? Каков объем этой информации? Иными словами, речь идет о том, обладает ли канал связи буфером и каков объем этого буфера. Здесь можно выделить три принципиальных варианта.
1. Буфер нулевой емкости или отсутствует. Никакая информация не может сохраняться на линии связи. В этом случае процесс, посылающий информацию, должен ожидать, пока процесс, принимающий информацию, не соблаговолит ее получить, прежде чем заниматься своими дальнейшими делами (в реальности этот случай никогда не реализуется).
2. Буфер ограниченной емкости. Размер буфера равен n, то есть линия связи не может хранить до момента получения более чем n единиц информации. Если в момент передачи данных в буфере хватает места, то передающий процесс не должен ничего ожидать. Информация просто копируется в буфер. Если же в момент передачи данных буфер заполнен или места недостаточно, то необходимо задержать работу процесса отправителя до появления в буфере свободного пространства.
3. Буфер неограниченной емкости. Теоретически это возможно, но практически вряд ли реализуемо. Процесс, посылающий информацию, никогда не ждет окончания ее передачи и приема другим процессом.
При использовании канального средства связи с непрямой адресацией под емкостью буфера обычно понимается количество информации, которое может быть помещено в промежуточный объект для хранения данных.
Существует две модели передачи данных по каналам связи – поток ввода-вывода и сообщения. При передаче данных с помощью потоковой модели операции передачи/приема информации вообще не интересуются содержимым данных. Процесс, прочитавший 100 байт из линии связи, не знает и не может знать, были ли они переданы одновременно, т. е. одним куском или порциями по 20 байт, пришли они от одного процесса или от разных. Данные представляют собой простой поток байтов, без какой-либо их интерпретации со стороны системы. Примерами потоковых каналов связи могут служить pipe и FIFO, описанные ниже.
Одним из наиболее простых способов передачи информации между процессами по линиям связи является передача данных через pipe (канал, трубу или, как его еще называют в литературе, конвейер). Представим себе, что у нас есть некоторая труба в вычислительной системе, в один из концов которой процессы могут «сливать» информацию, а из другого конца принимать полученный поток. Такой способ реализует потоковую модель ввода/вывода. Информацией о расположении трубы в операционной системе обладает только процесс, создавший ее. Этой информацией он может поделиться исключительно со своими наследниками – процессами-детьми и их потомками. Поэтому использовать pipe для связи между собой могут только родственные процессы, имеющие общего предка, создавшего данный канал связи.
Если разрешить процессу, создавшему трубу, сообщать о ее местонахождении в системе другим процессам, сделав вход и выход трубы каким-либо образом видимыми для всех остальных, например, зарегистрировав ее в операционной системе под определенным именем, мы получим объект, который принято называть FIFO или именованный pipe. Именованный pipe может использоваться для организации связи между любыми процессами в системе.
В модели сообщений процессы налагают на передаваемые данные некоторую структуру. Весь поток информации они разделяют на отдельные сообщения, вводя между данными, по крайней мере, границы сообщений. Примером границ сообщений являются точки между предложениями в сплошном тексте или границы абзаца. Кроме того, к передаваемой информации могут быть присоединены указания на то, кем конкретное сообщение было послано и для кого оно предназначено. Примером указания отправителя могут служить подписи под эпиграфами в книге. Все сообщения могут иметь одинаковый фиксированный размер или могут быть переменной длины. В вычислительных системах используются разнообразные средства связи для передачи сообщений: очереди сообщений, sockets (гнезда) и т. д.
И потоковые линии связи, и каналы сообщений всегда имеют буфер конечной длины. Когда мы будем говорить о емкости буфера для потоков данных, мы будем измерять ее в байтах. Когда мы будем говорить о емкости буфера для сообщений, мы будем измерять ее в сообщениях.
Тесное взаимодействие между процессами предполагает передачу и получение произвольных данных – обмен сообщениями. В системе с одним процессором посылающий и получающий процессы не могут работать одновременно. В мультипроцессорных системах также нет никакой гарантии их одновременного исполнения. Следовательно, для хранения посланного, но ещё не полученного сообщения необходимо место. Оно называется буфером сообщений или почтовым ящиком.
Если процесс Р1 хочет общаться с процессом Р2, то Р1 просит систему образовать или предоставить ему почтовый ящик, который свяжет эти два процесса так, чтобы они могли передавать друг другу сообщения. Для того чтобы послать процессу Р2 какое-то сообщение, процесс Р1 просто помещает это сообщение в почтовый ящик, откуда процесс Р2 может его в любое время взять. При применении почтового ящика процесс Р2 в конце концов обязательно получит сообщение, когда обратится за ним, если вообще обратится. Естественно, что процесс Р2 должен знать о существовании почтового ящика. Поскольку в системе может быть много почтовых ящиков, необходимо обеспечить доступ процессу к конкретному почтовому ящику. Почтовые ящики являются системными объектами, и для пользования таким объектом необходимо получить его у операционной системы, что осуществляется с помощью соответствующих запросов.
Если объём передаваемых данных велик, то эффективнее не передавать их непосредственно, а отправлять в почтовый ящик сообщение, информирующее процесс-получатель о том, где можно их найти.
Почтовый ящик может быть связан с парой процессов, только с отправителем, только с получателем, или его можно получить из множества почтовых ящиков, которые используют все или несколько процессов. Подовый ящик, связанный с процессом-получателем, облегчает посылку сообщений от нескольких процессов в фиксированный пункт назначения. Если почтовый ящик не связан жестко с процессами, то сообщение должно содержать идентификаторы и процесса-отправителя, и процесса-получателя.
Итак, почтовый ящик – это информационная структура, поддерживаемая операционной системой. Она состоит из головного элемента, в котором находится информация о данном почтовом ящике, и из нескольких буферов (гнёзд), в которые помещают сообщения. Размер каждого буфера и их количество обычно задаются при образовании почтового ящика.
Правила работы почтового ящика могут быть различными в зависимости от его сложности. В простейшем случае сообщения передаются только в одном направлении. Процесс Р1 может посылать сообщения до тех пор, пока имеются свободные гнёзда. Если все гнёзда заполнены, то Р1 может либо ждать, либо заняться другими делами и попытаться послать сообщение позже. Аналогично процесс Р2 может получать сообщения до тех пор, пока имеются заполненные гнёзда.
Если сообщений нет, то он может либо ждать сообщений, либо продолжать свою работу. Эту простую схему работы почтового ящика можно усложнять в нескольких направлениях и получать более хитроумные системы общения – двунаправленные и многовходовые почтовые ящики.
Двунаправленный почтовый ящик, связанный с парой процессов, позволяет подтверждать приём сообщений. Если используется множество гнёзд, то каждое из них хранит либо сообщение, либо подтверждение. Чтобы гарантировать передачу подтверждений, когда все гнёзда заняты, подтверждение на сообщение помещается в то же гнездо, которое было использовано для сообщения, и оно уже не используется для другого сообщения до тех пор, пока подтверждение не будет получено.
Из-за того, что некоторые процессы не забрали свои сообщения, связь может быть приостановлена. Если каждое сообщение снабдить пометкой времени, то управляющая программа может периодически уничтожать старые сообщения.
Процессы могут быть также остановлены в связи с тем, что другие процессы не смогли послать им сообщения. Если время поступления каждого остановленного процесса в очередь заблокированных процессов регистрируется, то управляющая программа может периодически посылать им пустые сообщения, чтобы они не ждали чересчур долго.
Основные достоинства почтовых ящиков:
- процессу не нужно знать о существовании других процессов до тех пор, пока он не получит сообщения от них;
- два процесса могут обмениваться более чем одним сообщением за один раз;
- операционная система может гарантировать, что никакой процесс не вмешается в «беседу» других процессов;
- очереди буферов позволяют процессу-отправителю продолжать работу, не обращая внимания на получателя.
Основным недостатком буферизации сообщений является появление еще одного ресурса, которым нужно управлять, самих почтовых ящиков.
Другим недостатком можно считать статический характер этого ресурса: количество буферов для передачи сообщений через почтовый ящик фиксировано.
Поэтому естественным стало появление механизмов, подобных почтовым ящикам, но реализованных на принципах динамического выделения памяти под передаваемые сообщения.
Конвейер (pipe – программный канал (связи), или, как его иногда называют, транспортер) является средством, с помощью которого можно производить обмен данными между процессами. Принцип работы конвейера основан на механизме ввода/вывода, который используется для работы с файлами в UNIX, то есть задача, передающая информацию, действует так, как будто она записывает данные в файл, в то время как задача, для которой предназначается эта информация, читает её из этого файла. Операции записи и чтения осуществляются не записями, как это делается в обычных файлах, а потоком байтов, как это было принято в UNIX-системах.
Таким образом, функции, с помощью которых выполняется запись в канал и чтение из него, являются теми же самыми, что и при работе с файлами. По сути, канал представляет собой поток данных между двумя (или более) процессами. Это упрощает программирование и избавляет программистов от использования каких-то новых механизмов. На самом деле конвейеры не являются файлами на диске, а представляют собой буферную память, работающую по принципу FIFO, то есть по принципу обычной очереди. Однако не следует путать конвейеры с очередями сообщений; последние реализуются иначе и имеют другие возможности.
Конвейер имеет определенный размер, который не может превышать 64 Кбайт, и работает циклически. Вспомните реализацию очереди на массивах, когда имеются указатели начала и конца очереди, которые перемещаются циклически по массиву. Имеется некий массив и два указателя: один показывает на первый элемент (назовем его условно, head), а второй – на последний (назовем его tail).
В начальный момент оба указателя равны нулю. Добавление самого первого элемента в пустую очередь приводит к тому, что указатели head и tail принимают значение, равное 1 (в массиве появляется первый элемент). В последующем добавление нового элемента вызывает изменение значения второго указателя, поскольку он отмечает расположение именно последнего элемента очереди. Чтение (и удаление) элемента (читается и удаляется всегда первый элемент из созданной очереди) приводит к необходимости модифицировать значение указателя head. В результате операций записи (добавления) и чтения (удаления) элементов в массиве, моделирующем очередь элементов, указатели будут перемещаться от начала массива к его концу. При достижении указателем значения индекса последнего элемента массива значение указателя вновь становится единичным (если при этом не произошло переполнение массива, то есть количество элементов в очереди не стало больше числа элементов в массиве). Можно сказать, что мы как бы замыкаем массив в кольцо, организуя круговое перемещение указателей head и tail, которые отслеживают первый и последний элементы в очереди (рис. 15).
Именно так и функционирует конвейер.
Рис. 15. Организация очереди на массиве
Как информационная структура канал описывается идентификатором, размером и двумя указателями. Конвейеры представляют собой системный ресурс. Чтобы начать работу с конвейером, процесс сначала должен заказать его у операционной системы и получить в своё распоряжение. Процессы, знающие идентификатор конвейера, могут через него обмениваться данными.
Читать из конвейера может только тот процесс, который знает идентификатор соответствующего конвейера. При работе с конвейером данные непосредственно помещаются в него. Ещё раз отметим, что из-за ограничения на размер конвейера программисты сталкиваются и с ограничениями на размеры передаваемых через него сообщений.
Очереди сообщений (Queue) являются более сложным методом связи между взаимодействующими процессами по сравнению с каналами. С помощью очередей также можно из одной или нескольких задач независимым образом посылать сообщения некоторой задаче-приёмнику. При этом только процесс-приёмник может читать и удалять сообщения из очереди, а процессы-клиенты имеют право лишь помещать в очередь свои сообщения. Таким образом, очередь работает только в одном направлении. Если же необходима двухсторонняя связь, то можно создать две очереди.
Работа с очередями сообщений имеет много отличий от работы с конвейерами. Во-первых, очереди сообщений предоставляют возможность использовать несколько дисциплин обработки сообщений:
- FIFO – сообщение, записанное первым, будет первым и прочитано;
- LIFO – сообщение, записанное последним, будет прочитано первым;
- приоритетный – сообщения читаются с учётом их приоритетов;
- произвольный доступ, то есть можно читать любое сообщение, тогда как канал обеспечивает только дисциплину FIFO.
Во-вторых, если при чтении сообщения из канала (конвейера) оно удаляется из него, то при чтении сообщения из очереди этого не происходит, и сообщение при желании может быть прочитано несколько раз,
В третьих, в очередях присутствуют не непосредственно сами сообщения, а только их адреса в памяти и размер. Эта информация размещается системой в сегменте памяти, доступном для всех задач, общающихся с помощью данной очереди.
Каждый процесс, использующий очередь, должен предварительно получить разрешение на использование общего сегмента памяти с помощью системных запросов API, ибо очередь – это системный механизм и для работы с ним требуются системные ресурсы и, соответственно, обращение к самой ОС. Во время чтения из очереди задача-приёмник пользуется следующей информацией:
- идентификатор процесса (PID – process ID), который передал сообщение;
- адрес и длина переданного сообщения;
- ждать или нет, если очередь пуста;
- приоритет переданного сообщения;
- номер освобождаемого семафора, когда сообщение передаётся в очередь.
Одним из существенных вопросов при рассмотрении всех категорий средств связи является вопрос об их надежности. Мы все знаем, как бывает тяжело расслышать собеседника по вечно трещащему телефону или разобрать, о чем сообщается в телеграмме: «Прибду пыездом в вонедельник 33 июня в 25.34. Пама».
Мы будем называть способ коммуникации надежным, если при обмене данными выполняются четыре условия.
1. Не происходит потери информации.
2. Не происходит повреждения информации.
3. Не появляется лишней информации.
4. Не нарушается порядок данных в процессе обмена.
Очевидно, что передача данных через разделяемую память является надежным способом связи. То, что мы сохранили в разделяемой памяти, будет считано другими процессами в первозданном виде, если, конечно, не произойдет сбоя в питании компьютера. Для других средств коммуникации, как видно из приведенных выше примеров, это не всегда верно.
Каким образом в вычислительных системах пытаются бороться с ненадежностью коммуникаций? Давайте рассмотрим возможные варианты на примере обмена данными через линию связи с помощью сообщений. Для обнаружения повреждения информации будем снабжать каждое передаваемое сообщение некоторой контрольной суммой, вычисленной по посланной информации. При приеме сообщения контрольную сумму будем вычислять заново и проверять ее соответствие пришедшему значению. Если данные не повреждены (контрольные суммы совпадают), то подтвердим правильность их получения. Если данные повреждены (контрольные суммы не совпадают), то сделаем вид, что сообщение к нам не поступило. Вместо контрольной суммы можно использовать специальное кодирование передаваемых данных с помощью кодов, исправляющих ошибки. Такое кодирование позволяет при числе искажений информации, не превышающем некоторого значения, восстановить первоначальные неискаженные данные. Если по прошествии некоторого интервала времени подтверждение правильности полученной информации не придет на передающий конец линии связи, будем считать информацию утерянной и пошлем ее повторно. Для того чтобы избежать двойного получения одной и той же информации, на приемном конце линии связи должен осуществляться соответствующий контроль. Для гарантии правильного порядка получения сообщений будем их нумеровать. При приеме сообщения с номером, не соответствующим ожидаемому, поступаем с ним как с утерянным и ждем сообщения с правильным номером.
Подобные действия могут быть возложены:
- на операционную систему;
- на процессы, обменивающиеся данными;
- совместно на систему и процессы, разделяя их ответственность.
Операционная система может обнаруживать ошибки при передаче данных и извещать об этом взаимодействующие процессы для принятия ими решения о дальнейшем поведении.
Наконец, важным вопросом при изучении средств обмена данными является вопрос прекращения обмена. Здесь нужно выделить два аспекта: требуются ли от процесса какие-либо специальные действия по прекращению использования средства коммуникации и влияет ли такое прекращение на поведение других процессов. Для способов связи, которые не подразумевали никаких инициализирующих действий, обычно ничего специального для окончания взаимодействия предпринимать не надо. Если же установление связи требовало некоторой инициализации, то, как правило, при ее завершении бывает необходимо выполнить ряд операций, например сообщить операционной системе об освобождении выделенного связного ресурса.
Если кооперативные процессы прекращают взаимодействие согласованно, то такое прекращение не влияет на их дальнейшее поведение. Иная картина наблюдается при несогласованном окончании связи одним из процессов. Если какой-либо из взаимодействующих процессов, не завершивших общение, находится в этот момент в состоянии ожидания получения данных либо попадает в такое состояние позже, то операционная система обязана предпринять некоторые действия для того, чтобы исключить вечное блокирование этого процесса. Обычно это либо прекращение работы ожидающего процесса, либо его извещение о том, что связи больше нет (например, с помощью передачи заранее определенного сигнала).
Для достижения поставленной цели различные процессы могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой. Причинами для совместной деятельности процессов обычно являются: необходимость ускорения решения задачи, совместное использование обновляемых данных, удобство работы или модульный принцип построения программных комплексов. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, называют кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия и ничего не знающих о взаимном существовании в вычислительной системе.
вый и последний элементы в очереди (рис. 15).
Именно так и функционирует конвейер.