Почтовые ящики

Тесное взаимодействие между процессами предполагает не только синхрони­зацию — обмен временными сигналами, но также передачу и получение про­извольных данных, то есть 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 еще не полученного сооб­щения необходимо место. Оно называется буфером сообщений, или почтовым ящиком¹.

Если процесс Р1 хочет общаться с процессом Р2, то Р1 просит систему предоста­вить или образовать 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 получить. 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 объем 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. Почтовый 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.

¹ Название «почтовый ящик» происходит от обычного приспособления для отправки почты.

Почтовые ящики____________________________________________________ 241

Итак, почтовый ящик — это информационная структура, поддерживаемая опера­ционной системой. Она состоит из головного элемента, в котором находится ин­формация о данном почтовом ящике, и нескольких буферов (гнезд), 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 [17]. В простейшем случае сообщения передаются только в одном на­правлении. Процесс Р1 может посылать сообщения до тех пор, пока имеются сво­бодные гнезда. Если все гнезда 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 гнезда. 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 прием сообщений. При наличии множества гнезд каждое из них хранит либо сообщение, либо подтверждение. Чтобы гарантировать передачу подтверж­дений, когда все гнезда заняты, подтверждение на сообщение помещается в то же гнездо, в котором находится сообщение, и это гнездо 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 удалять 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.

Реализация почтовых ящиков требует использования примитивных операторов низкого уровня, таких как операции Р и V или каких-либо других, но пользовате­лям может дать средства более высокого уровня (наподобие мониторов Хоара), например, такие, как представлены ниже. SEND_MESSAGE ( Получатель, Сообщение, Буфер )

Эта операция переписывает сообщение в некоторый буфер, помещает его адрес в переменную Буфер и добавляет буфер к очереди Получатель. Процесс, выдавший операцию SEND_MESSAGE, продолжит свое исполнение. WAIT_MESSAGE ( Отправитель, Сообщение, Буфер )

Эта операция блокирует процесс, выдавший операцию, до тех пор, пока в его очереди не появится какое-либо сообщение. Когда процесс передается на процессор, он получает имя отправителя с помощью переменной Отправитель, текст сообщения через переменную Сообщение и адрес буфера в переменной Буфер. Затем буфер удаляется из очереди, и процесс может записать в него ответ отправителю.

242 Глава 7. Организация параллельных взаимодействующих вычислений

SEND_ANSWER ( Результат. Ответ. Буфер )

Эта операция записывает информацию, определяемую через переменную Ответ, в тот буфер, номер которого указывается переменной Буфер (из этого буфера было получено сообщение), и добавляет буфер к очереди отправителя. Если отправитель ждет ответ, он деблокируется.

WAIT_ANSWER ( Результат, Ответ. Буфер )

Эта операция блокирует процесс, выдавший операцию, до тех пор, пока в буфер не поступит ответ; доступ к нему возможен через переменную Буфер. После того как ответ поступил и процесс передан на процессор, ответ, доступ к которому определяется через переменную Ответ, переписывается в память процессу, а буфер освобождается. Значение переменной Результат указывает, является ли ответ пустым, то есть выданным операционной системой, так как сообщение было адресовано несуществующему (или так и не ставшему активным) процессу.

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 обменяться более чем одним сообщением за один раз;

- операционная система может гарантировать, что никакой иной процесс не вме­
шается во взаимодействие процессов, ведущих между собой «переписку»;

- очереди буферов позволяют процессу-отправителю продолжать работу, не об­ращая внимания на получателя.

Основным недостатком буферизации сообщений является появление еще одного ресурса, которым нужно управлять. Этим ресурсом являются сами почтовые ящики.

К другому недостатку можно отнести 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.

В операционных системах компании Microsoft тоже имеются почтовые ящики (mailslots). В частности, они достаточно часто используются при создании распре­деленных приложений для сети. При работе с ними в приложении, которое долж­но отправить сообщение другому приложению, необходимо указывать класс дос­тавки сообщений. Различают два класса доставки. Первый класс (first-class delivery) гарантирует доставку сообщений; он ориентирован на сеансовое взаимодействие между процессами и позволяет организовать посылки типа «один к одному» и «один ко многим». Второй класс (second-class delivery) основан на механизме датаграмм, и он уже не гарантирует доставку сообщений получателю.