操作系統(tǒng)-進(jìn)程通信

2.6進(jìn)程通信

進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換。由于進(jìn)程的互斥與同步，需要在進(jìn)程間交換一定的信息，故不少學(xué)者將它們也歸為進(jìn)程通信，但只能把它們稱為低級(jí)進(jìn)程通信。我們以信號(hào)量機(jī)制為例來(lái)說(shuō)明，它們之所以低級(jí)的原因在于：①效率低，生產(chǎn)者每次只能向緩沖池投放一個(gè)產(chǎn)品(消息)，消費(fèi)者每次只能從緩沖區(qū)中取得一個(gè)消息；②通信對(duì)用戶不透明，OS只為進(jìn)程之間的通信提供了共享存儲(chǔ)器。在進(jìn)程之間要傳送大量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用OS提供的高級(jí)通信工具，該工具最主要的特點(diǎn)是：

(1)使用方便。OS隱藏了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的具體細(xì)節(jié)，向用戶提供了一組用于實(shí)現(xiàn)高級(jí)通信的命令(原語(yǔ))，用戶可方便地直接利用它實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信?；蛘哒f(shuō)，通信過程對(duì)用戶是透明的。這樣就大大減少了通信程序編制上的復(fù)雜性。

(2)高效地傳送大量數(shù)據(jù)。用戶可直接利用高級(jí)通信命令(原語(yǔ))高效地傳送大量的數(shù)據(jù)。2.6.1進(jìn)程通信的類型

1.共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)(Shared-MemorySystem)

在共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，相互通信的進(jìn)程共享某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或共享存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)程之間能夠通過這些空間進(jìn)行通信。據(jù)此，又可把它們分成以下兩種類型：

(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式。

(2)基于共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式。

2.管道(pipe)通信系統(tǒng)

所謂“管道”，是指用于連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)它們之間通信的一個(gè)共享文件，又名pipe文件。向管道(共享文件)提供輸入的發(fā)送進(jìn)程(即寫進(jìn)程)以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道；而接受管道輸出的接收進(jìn)程(即讀進(jìn)程)則從管道中接收(讀)數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程是利用管道進(jìn)行通信的，故又稱為管道通信。這種方式首創(chuàng)于UNIX系統(tǒng)，由于它能有效地傳送大量數(shù)據(jù)，因而又被引入到許多其它操作系統(tǒng)中。為了協(xié)調(diào)雙方的通信，管道機(jī)制必須提供以下三方面的協(xié)調(diào)能力：①互斥，即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在對(duì)pipe執(zhí)行讀/寫操作時(shí)，其它(另一)進(jìn)程必須等待。②同步，指當(dāng)寫(輸入)進(jìn)程把一定數(shù)量(如4?KB)的數(shù)據(jù)寫入pipe，便去睡眠等待，直到讀(輸出)進(jìn)程取走數(shù)據(jù)后再把它喚醒。當(dāng)讀進(jìn)程讀一空pipe時(shí)，也應(yīng)睡眠等待，直至寫進(jìn)程將數(shù)據(jù)寫入管道后才將之喚醒。③確定對(duì)方是否存在，只有確定了對(duì)方已存在時(shí)才能進(jìn)行通信。

3.消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)

在該機(jī)制中，進(jìn)程不必借助任何共享存儲(chǔ)區(qū)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是以格式化的消息(message)為單位，將通信的數(shù)據(jù)封裝在消息中，并利用操作系統(tǒng)提供的一組通信命令(原語(yǔ))，在進(jìn)程間進(jìn)行消息傳遞，完成進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。

基于消息傳遞系統(tǒng)的通信方式屬于高級(jí)通信方式，因其實(shí)現(xiàn)方式的不同，可進(jìn)一步分成兩類：

(1)直接通信方式

(2)間接通信方式

4.客戶機(jī)-服務(wù)器系統(tǒng)(Client-Serversystem)

1)套接字(Socket)

套接字起源于20世紀(jì)70年代加州大學(xué)伯克利分校版本的UNIX(即BSDUnix)，是UNIX操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)通信接口。一開始，套接字被設(shè)計(jì)用在同一臺(tái)主機(jī)上多個(gè)應(yīng)用程序之間的通信(即進(jìn)程間的通信)，主要是為了解決多對(duì)進(jìn)程同時(shí)通信時(shí)端口和物理線路的多路復(fù)用問題。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及UNIX操作系統(tǒng)的廣泛使用，套接字已逐漸成為最流行的網(wǎng)絡(luò)通信程序接口之一。

2)遠(yuǎn)程過程調(diào)用和遠(yuǎn)程方法調(diào)用

遠(yuǎn)程過程(函數(shù))調(diào)用RPC(RemoteProcedureCall)，是一個(gè)通信協(xié)議，用于通過網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)。該協(xié)議允許運(yùn)行于一臺(tái)主機(jī)(本地)系統(tǒng)上的進(jìn)程調(diào)用另一臺(tái)主機(jī)(遠(yuǎn)程)系統(tǒng)上的進(jìn)程，而對(duì)程序員表現(xiàn)為常規(guī)的過程調(diào)用，無(wú)需額外地為此編程。如果涉及的軟件采用面向?qū)ο缶幊?，那么遠(yuǎn)程過程調(diào)用亦可稱做遠(yuǎn)程方法調(diào)用。實(shí)際上，遠(yuǎn)程過程調(diào)用的主要步驟是：

(1)本地過程調(diào)用者以一般方式調(diào)用遠(yuǎn)程過程在本地關(guān)聯(lián)的客戶存根，傳遞相應(yīng)的參數(shù)，然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給客戶存根；

(2)客戶存根執(zhí)行，完成包括過程名和調(diào)用參數(shù)等信息的消息建立，將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給本地客戶進(jìn)程；

(3)本地客戶進(jìn)程完成與服務(wù)器的消息傳遞，將消息發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)程；

(4)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)程接收消息后轉(zhuǎn)入執(zhí)行，并根據(jù)其中的遠(yuǎn)程過程名找到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器存根，將消息轉(zhuǎn)給該存根；

(5)該服務(wù)器存根接到消息后，由阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)入執(zhí)行狀態(tài)，拆開消息從中取出過程調(diào)用的參數(shù)，然后以一般方式調(diào)用服務(wù)器上關(guān)聯(lián)的過程；

(6)在服務(wù)器端的遠(yuǎn)程過程運(yùn)行完畢后，將結(jié)果返回給與之關(guān)聯(lián)的服務(wù)器存根；

(7)該服務(wù)器存根獲得控制權(quán)運(yùn)行，將結(jié)果打包為消息，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)程；

(8)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)程將消息發(fā)送回客戶端；

(9)本地客戶進(jìn)程接收到消息后，根據(jù)其中的過程名將消息存入關(guān)聯(lián)的客戶存根，再將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給客戶存根；

(10)客戶存根從消息中取出結(jié)果，返回給本地調(diào)用者進(jìn)程，并完成控制權(quán)的轉(zhuǎn)移。2.6.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方式

1.直接消息傳遞系統(tǒng)

在直接消息傳遞系統(tǒng)中采用直接通信方式，即發(fā)送進(jìn)程利用OS所提供的發(fā)送命令(原語(yǔ))，直接把消息發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程。

1)直接通信原語(yǔ)

(1)對(duì)稱尋址方式。

(2)非對(duì)稱尋址方式。

2)消息的格式

在消息傳遞系統(tǒng)中所傳遞的消息，必須具有一定的消息格式。在單機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中，由于發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程處于同一臺(tái)機(jī)器中，有著相同的環(huán)境，所以消息的格式比較簡(jiǎn)單，可采用比較短的定長(zhǎng)消息格式，以減少對(duì)消息的處理和存儲(chǔ)開銷。該方式可用于辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中，為用戶提供快速的便箋式通信。但這種方式對(duì)于需要發(fā)送較長(zhǎng)消息的用戶是不方便的。為此，可采用變長(zhǎng)的消息格式，即進(jìn)程所發(fā)送消息的長(zhǎng)度是可變的。對(duì)于變長(zhǎng)消息，系統(tǒng)無(wú)論在處理方面還是存儲(chǔ)方面，都可能會(huì)付出更多的開銷，但其優(yōu)點(diǎn)在于方便了用戶。

3)進(jìn)程的同步方式

在進(jìn)程之間進(jìn)行通信時(shí)，同樣需要有進(jìn)程同步機(jī)制，以使諸進(jìn)程間能協(xié)調(diào)通信。不論是發(fā)送進(jìn)程還是接收進(jìn)程，在完成消息的發(fā)送或接收后，都存在兩種可能性，即進(jìn)程或者繼續(xù)發(fā)送(或接收)或者阻塞。

4)通信鏈路

為使在發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程之間能進(jìn)行通信，必須在兩者之間建立一條通信鏈路。有兩種方式建立通信鏈路。第一種方式是：由發(fā)送進(jìn)程在通信之前用顯式的“建立連接”命令(原語(yǔ))請(qǐng)求系統(tǒng)為之建立一條通信鏈路，在鏈路使用完后拆除鏈路。

2.信箱通信

1)信箱的結(jié)構(gòu)

信箱定義為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在邏輯上，可以將其分為兩個(gè)部分：

(1)信箱頭

(2)信箱體圖2-16雙向信箱示意圖

2)信箱通信原語(yǔ)

系統(tǒng)為郵箱通信提供了若干條原語(yǔ)，分別用于：

(1)郵箱的創(chuàng)建和撤消。

(2)消息的發(fā)送和接收。

3)信箱的類型

郵箱可由操作系統(tǒng)創(chuàng)建，也可由用戶進(jìn)程創(chuàng)建，創(chuàng)建者是郵箱的擁有者。據(jù)此，可把郵箱分為以下三類：

(1)私用郵箱。

(2)公用郵箱。

(3)共享郵箱。2.6.3直接消息傳遞系統(tǒng)實(shí)例

消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制首先由美國(guó)的Hansan提出，并在RC4000系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于本地進(jìn)程之間的通信中。在這種通信機(jī)制中，發(fā)送進(jìn)程利用Send原語(yǔ)將消息直接發(fā)送給接收進(jìn)程；接收進(jìn)程則利用Receive原語(yǔ)接收消息。

1.消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)消息緩沖區(qū)。

(2)PCB中有關(guān)通信的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

2.發(fā)送原語(yǔ)

發(fā)送進(jìn)程在利用發(fā)送原語(yǔ)發(fā)送消息之前，應(yīng)先在自己的內(nèi)存空間設(shè)置一發(fā)送區(qū)a，如圖2-17所示，把待發(fā)送的消息正文、發(fā)送進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、消息長(zhǎng)度等信息填入其中，然后調(diào)用發(fā)送原語(yǔ)，把消息發(fā)送給目標(biāo)(接收)進(jìn)程。發(fā)送原語(yǔ)首先根據(jù)發(fā)送區(qū)a中所設(shè)置的消息長(zhǎng)度a.size來(lái)申請(qǐng)一緩沖區(qū)i，接著，把發(fā)送區(qū)a中的信息復(fù)制到緩沖區(qū)i中。為了能將i掛在接收進(jìn)程的消息隊(duì)列mq上，應(yīng)先獲得接收進(jìn)程