Реализует обмен данными между потоками одного или разных процессов. Выполняется посредством механизмов, предоставляемых ядром ОС или процессом, использующим механизмы ОС и реализующим новые возможности IPC. Может осуществляться как на одном компьютере, так и между несколькими компьютерами сети.
Из механизмов, предоставляемых ОС и используемых для IPC, можно выделить:
- механизмы обмена сообщениями;
- механизмы разделения памяти;
Механизмы удалённых вызовов (RPC).
- механизмы синхронизации;
Для оценки производительности различных механизмов IPC используют следующие параметры:
- пропускная способность (количество сообщений в единицу времени, которое ядро ОС или процесс способна обработать);
- задержки (время между отправкой сообщения одним потоком и его получением другим потоком).
- IPC может называться терминами «межпотоковое взаимодействие» (англ. inter-thread communication) и «межпрограммное взаимодействие» (англ. inter-application communication).
Межпроцессное взаимодействие, наряду с механизмами адресации памяти, является основой для разграничения адресного пространства между процессами.
Обмен сообщениями является формой связи, используемой в параллельных вычислениях, объектно-ориентированном программировании и взаимодействии процессов. Сообщение реализуется путём посылки пакетов информации получателям, которые могут означать множество вещей: вызов функций, сигналы, данные. Данный метод широко используется во всевозможных системах с параллелизмом для координации действий. В микроядерных операционных системах он используется для обмена информацией между одним из ядер и одним или более исполняющих блоков.
Разделение памяти является самым быстрым средством обмена данными между процессами. В других средствах межпроцессного взаимодействия обмен информацией между процессами проходит через ядро, что приводит к переключению контекста между процессом и ядром, т.е. к потерям производительности. Техника разделяемой памяти позволяет осуществлять обмен информацией через общий для процессов сегмент памяти без использования системных вызовов ядра. Сегмент разделяемой памяти подключается в свободную часть виртуального адресного пространства процесса. Таким образом, два разных процесса могут иметь разные адреса одной и той же ячейки подключенной разделяемой памяти.
Удалённый вызов процедур, (Remote Procedure Call, RPC) - класс технологий, позволяющих вызывать функции или процедуры в другом адресном пространстве (как правило, на удалённых компьютерах). Обычно реализация RPC технологии включает в себя два компонента: сетевой протокол для обмена в режиме клиент-сервер и язык сериализации объектов (или структур, для необъектных RPC). Различные реализации RPC имеют очень отличающуюся друг от друга архитектуру и разнятся в своих возможностях.
Синхронизация процессов и потоков
Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков.
Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.
Гонка - когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков.
Тупики – состояние системы, когда два или более процессов взаимно блокируют друг друга.
Критическая секция
Критическая секция — это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено.
Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты. Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция.
Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, находится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением.
Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения. Некоторые способы пригодны для взаимного исключения при вхождении в критическую секцию только потоков одного процесса, в то время как другие могут обеспечить взаимное исключение и для потоков разных процессов.
Блокирующие переменные
Для синхронизации потоков одного процесса программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не обращаясь к системным вызовам ОС.
Каждому набору критических данных ставится в соответствие двоичная переменная, которой поток присваивает значение 0, когда он входит в критическую секцию, и значение 1, когда он ее покидает.
Блокирующие переменные могут использоваться не только при доступе к разделяемым данным, но и при доступе к разделяемым ресурсам любого вида.
Управление памятью
Под памятью подразумевается оперативная память компьютера. Память является ресурсом, требующим управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции программы только в том случае, если они находятся в памяти.
Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.
Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:
- отслеживание свободной и занятой памяти;
- выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;
- вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;
- настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.
Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании, ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того, как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы.
Типы адресации
Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена (метки) виртуальные адреса и физические адреса:
- Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.
- Виртуальные адреса, называемые иногда математическими, или логическими адресами, вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.
- Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.
Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством.
Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же. Тем не менее, каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство – транслятор присваивает виртуальные адреса переменным и кодам каждой программе независимо.
Совпадение виртуальных адресов переменных и команд различных процессов не приводит к конфликтам, так как в том случае, когда эти переменные одновременно присутствуют в памяти, операционная система отображает их на разные физические адреса.
В разных операционных системах используются разные способы структуризации виртуального адресного пространства:
- В одних ОС виртуальное адресное пространство процесса подобно физической памяти представлено в виде непрерывной линейной последовательности виртуальных адресов. Такую структуру адресного пространства называют также плоской (flat). При этом виртуальным адресом является единственное число, представляющее собой смещение относительно начала виртуального адресного пространства. Адрес такого типа называют линейным виртуальным адресом.
- В других ОС виртуальное адресное пространство делится на части, называемые сегментами (или секциями, или областями, или другими терминами). В этом случае помимо линейного адреса может быть использован виртуальный адрес, представляющий собой пору чисел определяющих сегмент и смещение внутри сегмента.
Существуют и более сложные способы структуризации виртуального адресного пространства, когда виртуальный адрес образуется тремя или более числами.
Задачей операционной системы является отображение индивидуальных виртуальных адресных пространств всех одновременно выполняющихся процессов на общую физическую память.
Существуют два принципиально отличающихся подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические:
1. Замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Специальная системная программа - перемещающий загрузчик - на основании имеющихся у нее исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых элементах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.
2. Программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, то есть операнды инструкций и адреса переходов имеют те значения, которые выработал транслятор.
Во втором случае при загрузке операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Такой способ является более гибким: в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти, динамическое преобразование виртуальных адресов позволяет перемещать программный код процесса в течение всего периода его выполнения.
