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 ящиком.

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.

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.

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).

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 вмешается 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.

Конвейеры и очереди сообщений

Программный канал связи (pipe), или, как его иногда называют, конвейер, транспортер, является средством, с помощью которого можно обмениваться данными между процессами. При работе конвейера задача, передающая информацию, действует так, как будто она записывает данные в файл, в то время как задача, для которой предназначается эта информация, читает ее из этого файла. Операции записи и чтения осуществляются не записями, как это делается в обычных файлах, а потоком байтов, как это 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. То есть имеется некий массив и два указателя: один показывает на первый элемент (указатель на начало — head), а второй — на последний (указатель на конец — tail).

В начальный момент оба указателя равны нулю. Добавление самого первого элемента в пустую очередь приводит к тому, что указатели на начало и на конец 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 на ее начало. 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 большим числа элементов в массиве) (рис.4). Можно сказать, что при этом массив как бы замыкается в кольцо, организуя круговое перемещение указателей на начало и на конец, которые отслеживают первый и последний элементы в очереди.

Как информационная структура конвейер 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 свое распоряжение. Процессы, знающие идентификатор конвейера, могут через него обмениваться данными.

Очереди (queues) сообщений предлагают более удобный метод связи между взаимодействующими процессами по сравнению с каналами, но в своей реализации они сложнее. С помощью очередей также можно из одной или нескольких задач независимым образом посылать сообщения некоторой задаче-приемнику. При этом только процесс-приемник 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.

Рис. 4.

Работа с очередями сообщений отличается 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 доступ — сообщения читаются с учетом их приоритетов;

произвольный доступ — сообщения читаются в произвольном порядке.

Тогда как канал обеспечивает только дисциплину FIFO.

Во-вторых, если при чтении сообщения оно удаляется из конвейера, 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 доступ в общий сегмент 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-приемник пользуется следующей информацией:

идентификатор процесса (Process Identifier, PID), который передал сообщение;

адрес и длина переданного сообщения;

признак необходимости ждать, если очередь пуста;

приоритет переданного сообщения;

номер освобождаемого семафора, когда сообщение передается в очередь.