Основы организации операционных систем

6.1. Взаимодействующие  процессы

Для достижения поставленной цели различные  процессы (возможно, даже принадлежащие разным пользователям) могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой.

Основные причины взаимодействия процессов:

1. Повышение скорости работы. Когда один процесс ожидает наступления некоторого события (например, окончания операции ввода-вывода), другие в это время могут заниматься полезной работой, направленной на решение общей задачи. В многопроцессорных вычислительных системах программа разделяется на отдельные кусочки, каждый из которых будет исполняться на своем процессоре.
2. Совместное использование данных. Различные процессы могут, к примеру, работать с одной и той же динамической базой данных или с разделяемым файлом, совместно изменяя их содержимое.
3. Модульная конструкция какой-либо системы. Типичным примером может служить микроядерный способ построения операционной системы, когда ее различные части представляют собой отдельные процессы, общающиеся путем передачи сообщений через микроядро.
4. Удобство работы пользователя (программиста), желающего, например, редактировать и отлаживать программу одновременно. В этой ситуации процессы редактора и отладчика должны уметь взаимодействовать друг с другом.

Процессы не могут взаимодействовать не общаясь. Общение процессов обычно приводит к изменению их поведения в зависимости от полученной информации. Если деятельность процессов остается неизменной при любой принятой ими информации, то это означает, что они на самом деле не нуждаются во взаимном общении. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, принято называть кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия и ничего не знающих о взаимном сосуществовании в вычислительной системе.

Различные процессы в вычислительной системе изначально представляют собой обособленные задачи. Работа одного процесса не должна приводить к нарушению работы другого процесса. Для этого, в частности, разделены их адресные пространства и системные ресурсы, и для обеспечения корректного взаимодействия процессов требуются специальные средства и действия операционной системы. Нельзя просто поместить значение, вычисленное в одном процессе, в область памяти, соответствующую переменной в другом процессе, не предприняв каких-либо дополнительных организационных усилий. Давайте рассмотрим основные аспекты организации совместной работы процессов.

6.2. Категории средств обмена информацией

Процессы могут взаимодействовать  друг с другом только обмениваясь  информацией. По объему передаваемой информации и степени возможного воздействия на поведение другого процесса все средства такого обмена можно разделить на три категории:

Сигнальные. Передается минимальное количество информации — один бит, “да” или “нет”. Используются, как правило, для извещения процесса о наступлении какого-либо события. Степень воздействия на поведение процесса, получившего информацию, минимальна. Все зависит от того, знает ли он, что означает полученный сигнал, надо ли на него реагировать и каким образом. Неправильная реакция на сигнал или его игнорирование могут привести к трагическим последствиям. Вспомним профессора Плейшнера из кинофильма “Семнадцать мгновений весны”. Сигнал тревоги — цветочный горшок на подоконнике — был ему передан, но проигнорирован. И к чему это привело?

Канальные. Общение процессов происходит через линии связи, предоставленные операционной системой, и напоминает общение людей по телефону, с помощью записок, писем или объявлений. Объем передаваемой информации в единицу времени ограничен пропускной способностью линий связи. С увеличением количества информации увеличивается и возможность влияния на поведение другого процесса.

Разделяемая память. Два или более процессов могут совместно использовать некоторую область адресного пространства. Созданием разделяемой памяти занимается операционная система (если, конечно, ее об этом попросят). Общение процессов напоминает совместное проживание студентов в одной комнате общежития. Возможность обмена информацией максимальна, как, впрочем, и влияние на поведение другого процесса, но требует повышенной осторожности (если вы переложили с места на место все вещи вашего соседа по комнате, а часть из них еще и выбросили, то представляете, как он отреагирует?). Использование разделяемой памяти для передачи/получения информации осуществляется обычно с помощью специальных средств обычных языков программирования, в то время как сигнальным и канальным средствам коммуникации для этого необходимы специальные системные вызовы. Разделяемая память представляет собой наиболее быстрый способ взаимодействия процессов в одной вычислительной системе.

6.3. Логическая организация механизма передачи информации

При рассмотрении любого из средств  коммуникации программисту интересна не их физическая реализация (общая шина данных, прерывания, аппаратно разделяемая память и т. д.), а логическая, определяющая механизм их использования. Некоторые важные аспекты логической реализации являются общими для всех категорий средств связи, некоторые относятся к отдельным категориям. Охарактеризуем основные вопросы, требующие освещения при изучении того или иного способа обмена информацией.

6.3.1. Как устанавливается связь?

Могу ли я использовать средство связи непосредственно для обмена информацией сразу после создания процесса или первоначально необходимо предпринять некоторые действия по инициализации обмена? Так, например, для использования общей памяти различными процессами потребуется специальное обращение к операционной системе, которая выделит требуемую 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, то 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, оба указывают имена (идентификаторы) 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, из которого они могут быть затем изъяты каким-либо другим процессом. Примером такого объекта в повседневной жизни 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.

Естественно, что 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  как требоваться, так 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.

6.3.2. Информационная валентность процессов и средств связи

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 данное 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 имеют непосредственного отношения к направленности связи.

6.3.3. Особенности передачи информации с помощью линий связи

Как мы говорили выше, передача информации между процессами посредством линий  связи является достаточно безопасной по сравнению с использованием разделяемой  памяти и достаточно 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 получили наибольшее распространение среди других средств коммуникации процессов. Коснемся некоторых вопросов, связанных с логической реализацией канальных средств коммуникации.

6.3.3.1 Буферизация

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.
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 не достаточно, 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.

6.3.3.2. Поток ввода/вывода и сообщения

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 процессов. Данные представляют собой простой поток байт, 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 вас есть некоторая труба в вычислительной системе, в один из концов которой процессы могут сливать информацию, а из другого конца принимать полученный поток. Естественно, что 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 этот канал связи.