Механизмы параллельных вычислений в unix

UNIX предоставляет различные механизмы для синхронизации и связи ме­жду процессами  В этом разделе мы рассмотрим важнейшие из них:

• каналы;
• сообщения;
• разделяемую память;
• семафоры;
• сигналы.

Каналы, сообщения и разделяемая память обеспечивают обмен данными между процессами, в то время как семафоры и сигналы используются для ини­циации некоторых действий другого процесса.

Каналы

Каналы (pipes) являются одним из наиболее значительных вкладов UNIX в развитие операционных систем. Разработанные на основе концепции сопрограмм [RITC84], каналы представляют собой циклические буфера, которые позволяют двум процессам связываться друг с другом в соответствии с моделью производи­тель/потребитель. Следовательно, канал — не что иное, как очередь, работаю­щая по принципу "первым вошел — первым вышел", запись в которую осущест­вляется одним процессом, а чтение — другим.

При создании канала он получает буфер определенного размера. При записи в канал при наличии свободного места соответствующий запрос удовлетворяется немедленно; в противном случае процесс блокируется. Аналогично блокируется процесс, пытающийся прочесть из канала большее количество информации, чем имеющееся в нем; в противном случае запрос на чтение выполняется немедлен­но. Операционная система обеспечивает взаимоисключения — одновременно дос­туп к каналу имеет только один процесс.

Существует два типа каналов: именованные и неименованные. Совместно использовать неименованные каналы могут только связанные друг с другом про­цессы; не связанные друг с другом процессы могут совместно использовать толь­ко именованные каналы.

Сообщения

Сообщение представляет собой блок текста определенного типа. UNIX для работы с системой передачи сообщений предоставляет процессам системные вы­зовы msgsnd и msgrcv. С каждым процессом связана очередь сообщений, функ­ционирующая подобно почтовому ящику.
Указанный отправителем тип сообщения может быть использован получа­телем как критерий отбора сообщений. Он может получать сообщения либо в со­ответствии с принципом "первым вошел — первым вышел", либо в соответствии с их типом. При попытке отправить сообщение в заполненную очередь выполне­ние процесса приостанавливается, так же как и при попытке прочесть сообщение из пустой очереди. Если же процесс пытается прочесть сообщение определенного типа, но такого сообщения в очереди нет, процесс не приостанавливается.

Разделяемая память

Наиболее быстрым видом связи между процессами, обеспечиваемым опера­ционной системой UNIX, является разделяемая память. Это общий блок вирту­альной памяти, совместно используемый многими процессами. Процессы читают информацию и записывают ее в разделяемую память с помощью тех же инст­рукций чтения и записи, что и при работе с другими частями своего виртуально­го пространства памяти. Права доступа (чтение и запись или только чтение) к разделяемой памяти предоставляются каждому из процессов в отдельности. Взаимоисключения не являются частью механизма разделяемой памяти и долж­ны обеспечиваться процессами, использующими разделяемую память.

Семафоры

Система вызовов семафоров в UNIX System V представляет собой обобщение примитивов wait и signal, определенных в главе 5, "Параллельные вычисления: взаимоисключения и многозадачность". Все требуемые при работе с семафорами опе­рации выполняются ядром автоматически; ни один процесс не может получить дос­туп к семафору, пока с ним выполняется операция, вызванная другим процессом.
Семафор состоит из следующих элементов.
Текущее значение семафора.
Идентификатор последнего процесса, работавшего с семафором.
Количество процессов, ожидающих,  пока значение семафора не превысит
текущее.
Количество процессов, ожидающих, пока значение семафора не станет равным нулю.
С семафором связаны очереди приостановленных процессов.
При создании семафоры принадлежат множествам. Множество может со­держать как один так и несколько создаваемых семафоров. Системный вызов semctl позволяет установить значения всех семафоров множества одновременно. Кроме того, имеется системный вызов semop, в качестве аргумента которому пе­редается список операций с семафорами (по одной для каждого семафора из множества). При этом вызове ядро выполняет указанные операции одновремен­но. Каждая из операций определяется значением sem_op.
Если sem_op положительно, ядро увеличивает значение семафора и активизирует все процессы, ожидающие увеличения значения семафора.

Если sem_op равно 0, ядро проверяет значение семафора. Если оно нулевое, то ядро  переходит к выполнению операций со следующим  семафором; в противном случае количество процессов, ожидающих обнуления семафора,
увеличивается, и процесс приостанавливается до тех пор, пока значение семафора не станет равным нулю.
Если sem_op отрицательно, а его абсолютное значение не превышает значение семафора,  ядро добавляет sem_op (отрицательное число!) к значению
семафора. Если полученный результат равен нулю, ядро активизирует все процессы, ожидавшие обнуления значения семафора.
Если sem_op отрицательно, а его абсолютное значение больше значения семафора, ядро приостанавливает процесс до тех пор, пока значение семафора не увеличится.
Такое обобщение семафоров обеспечивает значительную гибкость при вы­полнении синхронизации и координации процессов.

Сигналы

Сигнал представляет собой программный механизм, информирующий процесс о наступлении асинхронного события. Сигнал подобен аппаратному прерыванию, но не использует систему приоритетов, т.е. все сигналы обрабатываются одинаково. Про­цесс получает сигналы по одному, без специального упорядочения.

Процессы могут посылать сигналы друг другу; в обмене сигналами может принимать участие и ядро. Доставка сигнала выполняется путем обновления по­ля в таблице процесса, которому послан данный сигнал. Поскольку каждый сиг­нал соответствует отдельному биту, сигналы одного типа не могут накапливаться в виде очереди. Сигнал обрабатывается сразу же после активизации процесса или возврата его из системного вызова. Процесс может ответить на сигнал вы­полнением некоторых действий по умолчанию (например, завершением работы), выполнить функцию обработки сигнала или проигнорировать его.
В табл. 6.1 перечислены сигналы UNIX SVR4.
Таблица 6.1. Сигналы UNIX