Способы обмена информацией между процессами

Обмен данными между процессами и потоками

Операционная система, имея доступ ко всем областям памяти, играет роль посредника в информационном обмене прикладных потоков. При необходимости в обмене данными поток обращается с запросом к ОС. ОС, пользуясь своими привилегиями, создает различные системные средства связи. Многие из средств межпроцессного обмена данными выполняют также и функции синхронизации: в том случае, когда данные для процесса-получателя отсутствуют, последний переводится в состояние ожидания средствами ОС, а при поступлении данных от процесса-отправителя процесс-получатель активизируется.

Передача может осуществляться несколькими способами:

— канал (pipe, конвейер) — псевдофайл, в который один процесс пишет, а другой читает;

— сокеты — поддерживаемый ядром механизм, скрывающий особенности среды и позволяющий единообразно взаимодействовать процессам, как на одном компьютере, так и в сети;

— почтовые ящики (только в Windows), однонаправленные, возможность широковещательной рассылки;

— вызов удаленной процедуры, процесс А Может вызвать процедуру в процессе В, и получить обратно данные.

Существует два способа организовать двунаправленное соединение с помощью каналов: безымянные и именованные каналы. Канал представляет собой буфер в оперативной памяти, поддерживающий очередь байт по алгоритму FIFO. Для программиста этот буфер выглядит как безымянный файл, в который можно писать и читать, осуществляя тем самым обмен данными. Обмениваться данными могут только родственные процессы, точнее процессы, которые имеют общего прародителя, создавшего данный конвейер. Связано это с тем, что конвейер не имеет имени, обращение к нему происходит по дескриптору, который имеет локальное для каждого процесса значение.

Безымянные (или анонимные) каналы позволяют связанным процессам передавать информацию друг другу. Обычно, безымянные каналы используются для перенаправления стандартного ввода/вывода дочернего процесса так, чтобы он мог обмениваться данными с родительским процессом. Чтобы производить обмен данными в обоих направлениях, необходимо создать два безымянных канала. Родительский процесс записывает данные в первый канал, используя его дескриптор записи, в то время как дочерний процесс считывает данные из канала, используя дескриптор чтения. Аналогично, дочерний процесс записывает данные во второй канал и родительский процесс считывает из него данные. Безымянные каналы не могут быть использованы для передачи данных по сети и для обмена между несвязанными процессами.

Именованные конвейеры. Такие конвейеры имеют имя, которое является записью в каталоге файловой системы ОС, поэтому пригодны для обмена данными между двумя произвольными процессами или потоками этих процессов. Именованный конвейер является специальным файлом типа FIFO и не имеет области данных на диске. Создается именованный конвейер с помощью того же системного вызова, который используется для создания файлов любого типа, но только с указанием в качестве типа файла параметра FIFO. Системный вызов порождает в каталоге запись о файле FIFO с заданным именем, после чего любой процесс может открыть этот файл и передавать данные другому процессу, также открывшему файл с этим именем.

Именованные каналы используются для передачи данных между независимыми процессами или между процессами, работающими на разных компьютерах. Обычно, процесс сервера именованных каналов создает именованный канал с известным именем или с именем, которое будет передано клиентам. Процесс клиента именованных каналов, зная имя созданного канала, открывает его на своей стороне с учетом ограничений, указанных процессом сервера. После этого между сервером и клиентом создается соединение, по которому может производиться обмен данными в обоих направлениях. В дальнейшем наибольший интерес для нас будут представлять именованные каналы.

Рис. 2.22 Схема реализации канала

Механизм очередей сообщений похож на механизм конвейеров с тем отличием, что он позволяет процессам и потока обмениваться структурированными сообщениями. Очереди сообщений являются глобальными средствами коммуникаций для процессов операционной системы, так как каждая очередь в пределах ОС имеет уникальное имя.

Разделяемая память представляет собой сегмент физической памяти, отображенной в виртуальное адресное пространство двух или более процессов.

Рис. 2.23 а) файл, отображенный на память; б) разделяемая память

Одно из преимуществ файлов, отображаемых в память, заключается в том, что их легко использовать совместно. Присвоение имени объекту «отображение файла» делает возможным совместное использование файла несколькими процессами. В этом случае его содержимое отображено на совместно используемую физическую память.

Почтовые ящики обеспечивают только однонаправленные соединения. Каждый процесс, который создает почтовый ящик, является «сервером почтовых ящиков». Другие процессы, называемые «клиентами почтовых ящиков», посылают сообщения серверу, записывая их в почтовый ящик. Входящие сообщения всегда дописываются в почтовый ящик и сохраняются до тех пор, пока сервер их не прочтет. Каждый процесс может одновременно быть и сервером и клиентом почтовых ящиков, создавая, таким образом, двунаправленные коммуникации между процессами.

Клиент может посылать сообщения на почтовый ящик, расположенный на том же компьютере, на компьютере в сети, или на все почтовые ящики с одним именем всем компьютерам выбранного домена. Почтовые ящики предлагают легкий путь для обмена короткими сообщениями, позволяя при этом вести передачу и по локальной сети, в том числе и по всему домену.

Почтовый ящик является псевдофайлом находящимся в памяти и необходимо использовать стандартные функции для работы с файлами, чтобы получить доступ к нему. Все почтовые ящики являются локальными по отношению к создавшему их процессу. Процесс не может создать удаленный почтовый ящик.

Источник

Обмен данными между процессами

операционная система Windows предоставляет механизмы для облегчения обмена данными и совместного использования данных между приложениями. В совокупности действия, которые поддерживаются этими механизмами, называются взаимосвязями (IPC). Некоторые формы IPC упрощают разделение труда между несколькими специализированными процессами. Другие формы IPC облегчают разделение труда между компьютерами в сети.

Как правило, приложения могут использовать IPC категории «клиенты» или «серверы». Клиент — это приложение или процесс, запрашивающий службу от какого-либо другого приложения или процесса. Сервер — это приложение или процесс, отвечающий на запрос клиента. Многие приложения действуют как клиент и сервер в зависимости от ситуации. Например, приложение для обработки текстов может выступать в качестве клиента в запросе сводной таблицы производственных затрат из приложения электронной таблицы, выступающего в качестве сервера. Приложение электронной таблицы, в свою очередь, может работать в качестве клиента при запросе последних уровней инвентаризации от приложения управления инвентаризацией.

После принятия решения о том, что приложение будет выгодным из IPC, необходимо решить, какой из доступных методов IPC использовать. Скорее всего, приложение будет использовать несколько механизмов IPC. Ответы на эти вопросы определяют, может ли приложение использовать преимущества одного или нескольких механизмов IPC.

• Должно ли приложение взаимодействовать с другими приложениями, работающими на других компьютерах в сети, или достаточно для того, чтобы приложение могло обмениваться данными только с приложениями на локальном компьютере?
• должно ли приложение взаимодействовать с приложениями, работающими на других компьютерах, которые могут работать под управлением разных операционных систем (например, 16-разрядные Windows или UNIX)?
• Следует ли пользователю приложения выбрать другие приложения, с которыми взаимодействует приложение, или может ли приложение неявным образом найти своих взаимодействующих партнеров?
• Следует ли, чтобы приложение взаимодействовало со многими различными приложениями обычным образом, например разрешить операции вырезания и вставки с любым другим приложением или должны ли требования к обмену информацией ограничиваться ограниченным набором взаимодействий с конкретными другими приложениями?
• Является ли производительность критически важным аспектом приложения? Все механизмы IPC включают некоторый объем издержек.
• Должно ли приложение быть приложением с графическим интерфейсом или консольным приложением? Для некоторых механизмов IPC требуется приложение с графическим пользовательским интерфейсом.

Windows поддерживает следующие механизмы IPC:

Использование буфера обмена для IPC

Буфер обмена выступает в качестве центрального депозита для совместного использования данных между приложениями. Когда пользователь выполняет операцию вырезания или копирования в приложении, приложение помещает выбранные данные в буфер обмена в одном или нескольких стандартных или определенных форматах приложения. Затем любое другое приложение может получить данные из буфера обмена, выбрав из доступных форматов, которые он понимает. Буфер обмена — это очень слабо связанный носитель Exchange, где приложения должны быть согласованы только с форматом данных. Приложения могут находиться на одном компьютере или на разных компьютерах в сети.

Ключевой момент: Все приложения должны поддерживать буфер обмена для тех форматов данных, которые они понимают. Например, текстовый редактор или текстовый процессор должен иметь по крайней мере возможность создавать и принимать данные из буфера обмена в формате чистого текста. Дополнительные сведения см. в разделе буфер обмена.

Использование COM для IPC

Приложения, использующие OLE для управления составными документами, то есть документы, состоящие из данных различных приложений. OLE предоставляет службы, облегчающие приложениям вызов в других приложениях для редактирования данных. Например, текстовый процессор, использующий OLE, может внедрить граф из электронной таблицы. Пользователь может автоматически запустить электронную таблицу с помощью текстового процессора, выбрав внедренную диаграмму для редактирования. OLE берет на себя запуск электронной таблицы и представление графа для редактирования. Когда пользователь закрывает электронную таблицу, диаграмма будет обновлена в исходном документе текстового процессора. Электронная таблица является расширением текстового процессора.

Основой OLE является объектная модель компонента (COM). Программный компонент, использующий COM, может взаимодействовать с множеством других компонентов, даже если они еще не были написаны. Компоненты взаимодействуют как объекты и клиенты. Распределенная модель COM расширяет модели программирования COM таким образом, чтобы она работала по сети.

Ключевой момент: OLE поддерживает составные документы и позволяет приложению включать внедренные или связанные данные, которые при выборе автоматически запускают другое приложение для редактирования данных. Это позволяет расширить приложение с помощью любого другого приложения, использующего OLE. Объекты COM предоставляют доступ к данным объекта через один или несколько наборов связанных функций, известных как интерфейсы. дополнительные сведения см. в разделе COM и ActiveX службы объектов.

Использование копирования данных для IPC

Копирование данных позволяет приложению передавать данные в другое приложение с помощью сообщения WM _ COPYDATA . Этот метод требует взаимодействия между отправляющим приложением и принимающим приложением. Принимающее приложение должно знать формат информации и уметь определять отправителя. Отправляющее приложение не может изменять память, на которую ссылаются указатели.

Ключевой момент: копирование данных можно использовать для быстрой отправки сведений в другое приложение с помощью Windows messaging. Дополнительные сведения см. в разделе копирование данных.

Использование DDE для IPC

DDE — это протокол, позволяющий приложениям обмениваться данными в различных форматах. Приложения могут использовать DDE для одноразовых обменов данными или для текущих обменов, в которых приложения обновляются по мере появления новых данных.

Форматы данных, используемые DDE, совпадают с форматами, используемыми в буфере обмена. DDE можно рассматривать как расширение механизма буфера обмена. Буфер обмена почти всегда используется для одноразового ответа на пользовательскую команду, например для выбора команды вставить в меню. DDE также обычно инициируется пользователем с помощью пользовательской команды, но часто остается без вмешательства пользователя. Кроме того, можно определить пользовательские форматы данных DDE для особого целевого IPC между приложениями с более тесно связанными требованиями к обмену данными.

Обмен DDE может происходить между приложениями, запущенными на одном компьютере, или на разных компьютерах в сети.

Ключевой момент: DDE не так эффективнее, как новые технологии. Тем не менее можно по-прежнему использовать DDE, если другие механизмы IPC не подходят или если необходимо взаимодействовать с существующим приложением, которое поддерживает только DDE. дополнительные сведения см. в разделе платформа динамических данных Exchange и платформа динамических данных библиотеки управления Exchange.

Использование сопоставления файлов для IPC

Сопоставление файлов позволяет процессу обрабатывать содержимое файла так, будто он был блоком памяти в адресном пространстве процесса. Процесс может использовать простые операции с указателями для проверки и изменения содержимого файла. Когда двум или более процессам выполняется доступ к одному сопоставлению файлов, каждый процесс получает указатель на память в своем собственном адресном пространстве, который может использоваться для чтения или изменения содержимого файла. Для предотвращения повреждения данных в многозадачной среде процессы должны использовать объект синхронизации, например семафор.

Для предоставления именованной общей памяти между процессами можно использовать особый вариант сопоставления файлов. При указании файла подкачки системы при создании объекта сопоставления файлов объект сопоставления файлов рассматривается как блок общей памяти. Другие процессы могут получить доступ к тому же блоку памяти, открыв тот же объект сопоставления файлов.

Сопоставление файлов является довольно эффективным, а также предоставляет поддерживаемые атрибуты безопасности операционной системы, которые могут помочь предотвратить несанкционированный повреждение данных. Сопоставление файлов может использоваться только между процессами на локальном компьютере. его нельзя использовать по сети.

Ключевой момент: Сопоставление файлов является эффективным способом для двух или более процессов на одном компьютере для совместного использования данных, но необходимо обеспечить синхронизацию между процессами. Дополнительные сведения см. в разделе Сопоставление файлов и Синхронизация.

Использование слота для IPC

Маилслотс обеспечивают односторонний обмен данными. Любой процесс, создающий почтовый слот, — это сервер слота сообщений. Другие процессы, называемые клиентами слота, отправляют сообщения на сервер слота, записывая сообщение в почтовый слот. Входящие сообщения всегда добавляются в почтовый слот. Почтовый слот сохраняет сообщения до тех пор, пока сервер слота не прочитает их. Процесс может быть как сервером слота, так и клиентом слота, поэтому двустороннее взаимодействие возможно с помощью нескольких маилслотс.

Клиент слота сообщений может отправить сообщение в почтовый слот на локальном компьютере, в почтовый слот другого компьютера или на все маилслотс с тем же именем на всех компьютерах в указанном сетевом домене. Сообщения, передаваемые во все маилслотс в домене, не могут быть длиннее 400 байт, а сообщения, отправляемые в один почтовый слот, ограничиваются только максимальным размером сообщения, указанным сервером слота при создании слота.

Ключевой момент: Маилслотс предлагают пользователям простой способ отправки и получения коротких сообщений. Они также предоставляют возможность рассылать сообщения между всеми компьютерами в сетевом домене. Дополнительные сведения см. в разделе маилслотс.

Использование каналов для IPC

Существует два типа каналов для двусторонней связи: анонимные каналы и именованные каналы. Анонимные каналы позволяют связанным процессам передавать данные друг другу. Как правило, анонимный канал используется для перенаправления стандартного ввода или вывода дочернего процесса, чтобы он мог обмениваться данными с родительским процессом. Для обмена данными в обоих направлениях (дуплексная операция) необходимо создать два анонимных канала. Родительский процесс записывает данные в один канал, используя его маркер записи, в то время как дочерний процесс считывает данные из этого канала, используя его маркер чтения. Аналогичным образом дочерний процесс записывает данные в другой канал, а родительский процесс считывает из него. Анонимные каналы не могут использоваться по сети и не могут использоваться между несвязанными процессами.

Именованные каналы используются для обмена данными между процессами, которые не являются связанными процессами и между процессами на разных компьютерах. Как правило, серверный процесс именованного канала создает именованный канал с известным именем или именем, которое должно обмениваться с клиентами. Клиентский процесс именованного канала, который знает имя канала, может открыть его другой конец с учетом ограничений доступа, заданных процессом сервера именованных каналов. После того как сервер и клиент подключены к каналу, они могут обмениваться данными, выполняя операции чтения и записи в канале.

Ключевой момент: Анонимные каналы предоставляют эффективный способ перенаправлять стандартные входные или выходные данные в дочерние процессы на том же компьютере. Именованные каналы предоставляют простой программный интерфейс для передачи данных между двумя процессами независимо от того, находятся ли они на одном компьютере или по сети. Дополнительные сведения см. в разделе каналы.

Использование RPC для IPC

RPC позволяет приложениям вызывать функции удаленно. Таким образом, RPC делает IPC проще, чем вызов функции. RPC работает между процессами на одном компьютере или на разных компьютерах в сети.

RPC, предоставляемый Windows, соответствует требованиям к распределенным вычислительным средам (использование) Open Software Foundation (DCE). Это означает, что приложения, использующие RPC, могут взаимодействовать с приложениями, работающими с другими операционными системами, поддерживающими DCE. RPC автоматически поддерживает преобразование данных для учета различных архитектур оборудования и для упорядочения байтов между разнородными средами.

Клиенты и серверы RPC тесно связаны, но по-прежнему поддерживают высокую производительность. Система активно использует RPC для упрощения связи между клиентом и сервером между различными частями операционной системы.

Ключевой момент: RPC — это интерфейс уровня функции с поддержкой автоматического преобразования данных и взаимодействия с другими операционными системами. С помощью RPC можно создавать высокопроизводительные распределенные приложения с высоким уровнем производительности. Дополнительные сведения см. в разделе компоненты Microsoft RPC.

использование сокетов Windows для IPC

Windows Сокеты — это независимый от протокола интерфейс. В нем используются возможности связи базовых протоколов. в сокетах Windows 2 при необходимости можно использовать обработчик сокетов в качестве файла с стандартными функциями файлового ввода-вывода.

Windows Сокеты основаны на гнездах, которые впервые популярны по Berkeley Software Distribution (BSD). приложение, которое использует сокеты Windows, может взаимодействовать с другой реализацией сокета в других типах систем. Однако не все поставщики транспортных служб поддерживают все доступные варианты.

ключевой момент: Windows сокеты — это независимый от протокола интерфейс, поддерживающий текущие и новые сетевые возможности. дополнительные сведения см. в разделе сокеты Windows 2.

Источник