МЕТОДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОЦЕССОВ

С точки зрения взаимосвязи, процессы подразделяются на независимые и взаимодействующие.

Независимый процесс – процесс, никак не связанный с другими процессами, который не может влиять на исполнение других процессов или испытывать их влияние.

Взаимодействующий (совместный) процесс – процесс, который может влиять на исполнение других процессов или испытывать их влияние.

Преимущества взаимодействующих процессов очевидны:

· Совместное использование данных; процессы могут работать с общими данными, при условии их синхронизации (рассматриваемой в следующих лекциях);

· Модульность: организация взаимодействующих процессов – это метод параллельного решения задачи, декомпозируемой на относительно независимые части, части, каждую из которых решает один из взаимодействующих процессов

С точки зрения видов взаимосвязи родительского и дочернего процессов, процессы подразделяются на независимые, подчиненные и сопроцессы.

Подчиненный процесс – процесс, зависящий от процесса-родителя. Подчиненный процесс уничтожается при уничтожении родительского процесса, как в системах UNIX и ОС "Эльбрус". Процесс-родитель перед своим завершением должен ожидать завершения всех своих подчиненных процессов.

Независимый процесс – дочерний процесс, выполняемый независимо от процесса-родителя. Типичные примеры: процессы-демоны в UNIX, запускаемые начальным процессом init. Например, cron – процесс- демон, организующий вызов заданных в специальной таблице crontab действий с заданной периодичностью (автоматическое резервное копирование всех файловых систем на ленту в полночь); smbd – процесс- демон, управляющий серверным программным обеспечением SAMBA для сетевого доступа с Windows-машин к файлам UNIX -машины.

Сопроцесс (coprocess, coroutine) – процесс, равноправно взаимодействующий с другими такими же процессами; хранит свое текущее локальное управление (program counter); взаимодействует сдругим сопроцессом Q с помощью операций resume (Q). Взаимодействие нескольких сопроцессов друг с другом операторами resume полностью равноправно. Данный механизм взаимодействия принципиально отличается от вызова процедуры. Операция detach (открепить) переводит сопроцесс в пассивное состояние, в котором могут быть доступны только его глобальные данные, но его программа уже завершена и не подлежит повторному запуску. Сопрограммное взаимодействие реализовано в языке СИМУЛА-67, который, как известно, стал родоначальником и объектно-ориентированного подхода.

Классификация процессов, близкая к приведенной в данном разделе, реализована в ОС "Эльбрус".

Парадигма (шаблон) взаимодействия процессов: производитель – потребитель

Реализация взаимодействия процессов может быть основана на одной из классических парадигм (шаблонов), сложившейся за десятилетия развития программирования. В данном разделе рассмотрим одну из наиболее распространенных из парадигм взаимодействия процессов - производитель – потребитель: процесс-производитель (producer) генерирует в некотором буфере информацию, которая используется процессом-потребителем (consumer).

При реализации данной парадигмы возможны схемы с неограниченным и ограниченным буфером, используемым для связи двух процессов.

· Схема с неограниченным буфером (unbounded buffer) подразумевает, что на размер используемого буфера теоретически нет ограничений.

· Схема с ограниченным буфером (bounded buffer) предполагается определенное ограничение размера буфера, например, константой BUFFER_SIZE.

При реализации следует учесть, что схема с ограниченным буфером, с точки зрения принципов надежных и безопасных вычислений, представляет опасность атаки "переполнение буфера"(buffer overrun) – ошибочного или преднамеренного превышения размера буфера. Чтобы избежать этой уязвимости, при заполнении буфера необходимо проверять его размер.

Реализуем ограниченный буфер следующим образом. Информация хранится в массиве с двумя указателями: in - для считывания и использования очередного элемента информации процессом-потребителем иout - для записи очередного сгенерированного элемента информации процессом-производителем. При считывании из буфера очередной элемент удаляется, и указатель in, соответственно, продвигается. При записи в буфер продвигается указатель out. Для удобства будем считать буфер циклическим, т.е. при его заполнении следующим заполняемым элементом будет нулевой (если он освободился), следующим после него – первый и т.д. Таким образом, процесс-производитель должен вычислять индекс в буфере, по которому он записывает следующий элемент, по формуле (out + 1) % BUFFER_SIZE, где " % " операция взятия остатка от деления. Аналогично, процесс-потребитель должен вычислять индекс следующего элемента информации в буфере по формуле (in + 1) % BUFFER_SIZE. Учтем также две возможных ситуации: переполнение буфера (при генерации производителем числа элементов, большего длины буфера) и исчерпание буфера (в случае, если потребитель взял из буфера последний на данный момент сгенерированный элемент). Чтобы избежать обращения за границы буфера, при переполнении буфера производитель должен будет ждать, пока в буфере не освободится хотя бы один элемент, а при исчерпании буфера должен будет ждать потребитель, пока хотя бы один новый элемент не появится в буфере.

Реализация представления буфера на языке Си может иметь вид:

#define BUFFER_SIZE 1000 /* или другое конкретное значение */

Реализация схемы алгоритма процесса-производителя имеет вид:

item nextProduced; /* следующий генерируемый элемент */

Соответственно, реализация процесса-потребителя будет иметь вид:

item nextConsumed; /* следующий используемый элемент */

Данный код может быть использован как шаблон (pattern) для реализации схемы производитель – потребитель в любой системе.

Рассмотрим теперь возможные механизмы для непосредственной коммуникации процессов и синхронизации их действий.

Наиболее распространенный из них - система сообщений; при этом процессы взаимодействуют между собой без обращений к общим переменным (сравните с алгоритмами производителя и потребителя раздела 9.4).

Средства коммуникации между процессами обеспечивают две операции вида:

· send (message) – отправка сообщения message; размер сообщения может быть постоянным или переменным;

· receive (message) – получение сообщения в буфер message.

Если процессам P и Q требуется взаимодействовать между собой, им необходимо:

· Установить связь (communication link) друг с другом

Реализация связи может быть физической (общая память, аппаратная шина) или логической (например, логические свойства).

При реализации коммуникационного механизма между процессами необходимо решить следующие вопросы:

· Можно ли установить связь более чем двух процессов?

· Сколько связей может быть установлено между двумя заданными процессами?

· Какова пропускная способность линии связи?

· Является ли длина сообщения по линии связи постоянной или переменной?

· Является ли связь ненаправленной или двунаправленной (дуплексной)?

Будем использовать данный контрольный список вопросов при анализе различных способов коммуникации процессов.

При непосредственной коммуникации (direct communication) процессы именуют друг друга явно – по именам или по адресам (указателям), которые указываются в вызовах коммуникационных примитивов, например:

· send (P, message) – послать сообщение процессу P;

· receive (Q, message) – получить сообщение от процесса Q.

При данном способе коммуникации свойства линии связи, согласно контрольному списку раздела 9.5, следующие:

· Связь устанавливается автоматически (ее реализуют операционная система или отдельные коммуникационные инструменты).

· Связь ассоциируется только с одной парой взаимодействующих процессов.

· Между каждой парой процессов всегда только одна связь.

· Связь может быть ненаправленной, но, как правило, она двунаправленная (процесс может получить сообщение от другого явно заданного процесса и принять от него сообщение)..

При косвенной коммуникации (indirect communication) сообщения направляются и получаются через почтовые ящики (mailboxes), или порты (ports) – системные структуры, предназначенные для приема, хранения и передачи сообщений. Для определенности будем использовать термин почтовый ящик.

Каждый почтовый ящик имеет уникальный идентификатор.

Процессы могут взаимодействовать, только если они имеют общий почтовый ящик.

Свойства линии связи, согласно списку раздела 9.4, в этом случае следующие:

· Связь устанавливается, только если процессы имеют общий почтовый ящик.

· Связь одного процесса может быть установлена со многими процессами (которым доступен тот же почтовый ящик).

· Каждая пара процессов может иметь несколько линий связи (так как сообщения могут посылаться через различные почтовые ящики).

· Связь может быть ненаправленной или двунаправленной.

При косвенном способе коммуникации процессы используют набор операций вида:

· Отправить (принять) сообщение через почтовый ящик.

Основные операции коммуникации принимают вид:

· send (A, message) – послать сообщение в почтовый ящик A.

· receive (A, message) – получить сообщение из почтового ящика A.

Как мы видим, в данном случае не используются адреса или имена процессов-корреспондентов; вместо них задаются имена почтовых ящиков.

Чтобы лучше осознать суть и особенности данного метода коммуникации, проведем следующую аналогию. Представьте себе очень привычную для Вас электронную почту, которой Вы пользуетесь каждый день. Вы имеете один или несколько почтовых ящиков (email-адресов) и можете послать через любой из них электронное письмо Вашему корреспонденту. При приеме электронной почты Вы обычно задаете режим типа " receive all" (принять все сообщения со всех адресов), т.е. устанавливаете последовательно несколько линий связи с корреспондентами. Аналогичным образом и взаимодействуют процессы при косвенном способе коммуникации. Понятны и возможные проблемы, и способы их решения в обоих случаях: например, если один адрес (почтовый ящик) не работает, можно попытаться послать сообщение через другой. Однако есть и отличия: при отправке электронной почты через некоторый почтовый ящик Вы все же явно указываете email- адрес получателя. С процессами дело обстоит иначе, из-за чего могут возникнуть проблемы.

Вот возможная проблема, возникающая при использовании общего почтового ящика. Пусть процессы P1, P2,и P3 используют почтовый ящик A. P1, посылает сообщение; P2 и P3 принимают. Возникает вопрос: кто (какой из процессов) получает сообщение? Выражаясь более научно, возникает недетерминированная ситуация, что создает ненадежность и небезопасность. Как решить данную проблему? Вот возможные решения:

· Ограничить связь только двумя процессами;

· Разрешить только одному процессу в каждый момент исполнять операцию получения;

· Разрешить системе произвольным образом определить получателя;

· Отправитель нотифицируется, кто является получателем.

Очевидно, что каждое из решений имеет свои достоинства и недостатки.

При косвенной связи процессов может оказаться необходимой синхронизация. Дело в том, что передача сообщений может выполняться с блокировкой (синхронно) или без блокировки (асинхронно). Соответственно, основные операции send и receive могут быть с блокировкой или без блокировки.

С коммуникационной линией связывается очередь сообщений, реализованная одним из трех возможных способов:

1. Нулевая емкость очереди сообщений означает, что сообщения не могут храниться в очереди. Поэтому при использовании данного способа отправитель должен ждать получателя. Такая схема коммуникации называется рандеву (rendezvous) и используется, например, в языке Ада.

2. Ограниченная емкость очереди сообщений – конечная длина очереди, в которой может храниться максимум n сообщений. Данный способ является общеупотребительным, однако в данном случае, как уже отмечалось, необходимо предотвратить опасность атаки " buffer overrun ", т.е. в любой операции проверять длину буфера (очереди). Отправитель должен ждать, если очередь заполнена.

3. Неограниченная емкость очереди сообщений – (теоретически) она имеет бесконечную длину. В данном случае отправитель никогда не ждет.

Клиент-серверная взаимосвязь – один из наиболее распространенных видов коммуникации процессов

Используются, в частности, следующие ее разновидности, которые мы и рассмотрим:

· Удаленные вызовы процедур (Remote Procedure Calls – RPC)

· Удаленныевызовыметодов (Remote Method Invocation – RMI).

Сокеты – наиболее распространенный способ связи клиента и сервера в сети. Впервые они были реализованы в UNIX BSD 4.2. Сокет можно определить как отправную (конечную) точку для коммуникации - endpoint for communication. Сокет создается клиентом для взаимодействия с сервером. Сокет связан с определенным номером порта,через который клиент и сервер обмениваются информацией, используя числовой или символьный последовательный поток. Сервер, со своей стороны, прослушивает порт с заданным номером и создает для этого серверный сокет. По сути дела, сокет можно представлять как конкатенацию IP-адреса и порта. Например, сокет 161.25.19.8:1625 ссылается на порт 1625 на машине (хосте) 161.25.19.8. Коммуникация осуществляется между парой сокетов – клиентским и серверным.

Удаленные вызовы процедур (Remote Procedure Calls – RPC) впервые предложены фирмой Sun и реализованы в ОС Solaris.

Удаленный вызов процедуры (RPC) – абстракция вызова процедуры между процессами в сетевых системах. Он основан на следующей идее. В клиентской части создаются заглушка (proxy, stub) – локальная процедура, осуществляющая связь с фактической процедурой, находящейся на сервере. Заглушка в клиентской части находит сервер и выстраивает (marshals) параметры для их передачи на сервер по сети. Проблема здесь в том, что адресация на клиенте и на сервере различная, и передавать адрес в памяти каких-либо данных с одного хоста на другой не имеет смысла. Поэтому приходится использовать особую форму передачи информации в виде последовательного потока байтов. Заглушка в серверной части принимает сообщение, распаковывает параметры, преобразует их к нормальному виду и выполняет процедуру на сервере.

Удаленный вызов метода (Remote Method Invocation, RMI) – механизм в Java -технологии, аналогичный RPC, но в объектно-ориентированной форме.

RMI позволяет Java -приложению на одной машине вызвать метод удаленного объекта.

Схема выстраивания параметров и результатов при удаленных вызовах изображена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Выстраивание параметров при удаленном вызове.

Send – операция отправки сообщения другому процессу.

Receive – операция получения сообщения от другого процесса.

Взаимодействующий (совместный) процесс – процесс, который может влиять на исполнение других процессов или испытывать их влияние.

Выстраивание (marshaling) – механизм преобразования параметров удаленной процедуры (метода) для их передачи по сети в виде последовательного потока.

Косвенная коммуникация (indirect communication) – способ взаимодействия процессов с помощью сообщений, при котором сообщения направляются и получаются через почтовые ящики, или порты.

Независимый процесс – процесс, никак не связанный с другими процессами, который не может влиять на исполнение других процессов или испытывать их влияние.

Непосредственная коммуникация (direct communication) – способ взаимодействия процессов с помощью сообщений, при котором они именуют друг друга явно – по именам или по адресам (указателям), которые указываются в вызовах коммуникационных примитивов.

Очередь сообщений (message queue) – системная структура (буфер) для хранения сообщений между процессами.

Переполнение буфера (buffer overrun) – ошибочное или преднамеренное превышения размера буфера, которое может привести к обращению в чужую область памяти и используется для внешних атак.

Подчиненный процесс – процесс, зависящий от процесса-родителя; уничтожается при уничтожении родительского процесса; процесс-родитель перед своим завершением должен ожидать завершения всех своих подчиненных процессов.

Почтовый ящик (порт) – системная структура, предназначенные для приема, хранения и передачи сообщений.

Производитель – потребитель (producer – consumer) - парадигма взаимодействия процессов, при которой процесс-производитель (producer) генерирует в некотором буфере информацию, которая используется процессом-потребителем (consumer).

Рандеву (rendezvous) – механизм коммуникации процессов, при котором оба процесса приостанавливаются до момента окончания передачи сообщения.

Сокет (socket) – метод клиент-серверного сетевого взаимодействия процессов, при котором информация передается через последовательный поток через порт с определенным номером.

Сопроцесс (coprocess, coroutine) – процесс, равноправно взаимодействующий с другими такими же процессами по управлению с помощью операций типа resume (Q),возобновляющих приостановленный процесс. Переходит в завершенное состояние операцией detach.

Удаленный вызов метода (Remote Method Invocation – RMI) – разработанный фирмой Sun объектно-ориентированный механизм Java -технологии для вызова метода Java на другом компьютере сети, аналогичный удаленному вызову процедуры.

Удаленный вызов процедуры (Remote Procedure Call – RPC) – разработанный фирмой Sun механизм вызова процедуры на другом компьютере локальной сети с использованием процедур- заглушек на клиенте и на сервере, передающих информацию и выстраивающих параметры и результат удаленной процедуры.

3. В чем преимущества взаимодействующих процессов перед независимыми?

5. Что такое сопроцессы (сопрограммы) и какими операциями они взаимодействуют?

6. В чем суть парадигмы производитель – потребитель?

7. Какие действия выполняет процесс-производитель?

8. Какие действия выполняет процесс-потребитель?

9. Какие проблемы могут возникнуть при использовании буфера ограниченной длины?

10. Каким образом осуществляется коммуникация процессов?

11. Что такое непосредственная и косвенная коммуникация?

12. Какими операциями осуществляется коммуникация?

13. Какие вопросы анализируются при анализе реализации коммуникационной линии между процессами?

14. Как осуществляется непосредственная коммуникация процессов?

15. Как осуществляется косвенная коммуникация процессов?

16. Что такое почтовый ящик и как он используется при коммуникации процессов?

17. В чем особенности синхронной и асинхронной передачи сообщений?

18. Что такое очередь сообщений и какие ее разновидности используются?

20. Какие Вы знаете способы клиент-серверной коммуникации процессов?

21. Что такое сокет и как осуществляется сокетная коммуникация процессов?

22. Что такое удаленный вызов процедуры и как он осуществляется?

24. Что такое заглушка (proxy) и как она используется при удаленном вызове процедуры?

25. Что такое выстраивание параметров при удаленном вызове процедуры?

1. Реализуйте модель механизма сопроцессов с операциями resume / detach.

2. Реализуйте парадигму производитель – потребитель.

3. Реализуйте набор операций непосредственной коммуникации процессов.

4. Реализуйте набор операций косвенной коммуникации процессов.

5. Предложите и реализуйте детерминированную модель косвенной коммуникации процессов с использованием общего почтового ящика.

6. Реализуйте очередь сообщений неограниченной длины и ограниченной длины и операции над ней.

9. Проанализируйте работу удаленного вызова процедур в системе Linux или Solaris на простом примере и опишите свои выводы.

10. Проанализируйте работу удаленного вызова методов в Java на простом примере и опишите свои выводы.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: