Operační systémy 9. Spolupráce mezi procesy Obsah: signály, zasílání zpráv kolona, pojmenovaná roura IPC socket sdílená paměť problém souběhu © Milan Keršláger http://www.pslib.cz/ke/slajdy 19. 2. 2015 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/

Spolupráce mezi procesy využívána při multitaskingu tj. současný běh více úloh slouží ke vzájemné komunikaci procesů, předávání dat mezi procesy, synchronizaci využíváme při multiprogramování programátor využije multitasking zjednodušení naprogramování příslušné úlohy rozdělení na procesy zjednodušuje programování využití více jader procesorů

Příklady spolupráce systray (ikony, oznamovací oblast) síťová aplikace pošle zprávu appletu applet zobrazí bublinu (nový e-mail, IM zpráva) renderování scény v 3D hře arbitr přiděluje práci výpočetním procesům zároveň synchronizace s pohybem hráče ovládání GUI události o pohybu myši sbírá správce oken informace o pohybu či kliknutí posílá aplikacím

Komunikace mezi procesy zajišťuje několik činností synchronizace čekání na událost v druhém procesu vzájemné informování o postupu výpočtu signalizace jednoduchá asynchronní komunikace proces reaguje spuštěním obsluhy signálu výměna dat vysoké nároky na flexibilitu (specifické požadavky) pomocí výměny dat lze realizovat prakticky cokoliv

Mechanismy spolupráce zasílání zpráv flexibilní, s daty nebo bez dat i mezi různými počítači (např. cluster) sdílená paměť silnější nástroj, (neomezené) možnosti knihovny → jednoduchá implementace některé OS podporují oba mechanismy lze však implementovat i dodatečně knihovní fce umožňují zjednodušení, přenositelnost

Signály jde o asynchronní oznámení události realizace jako jednoduché zprávy (bez přenosu dat) jádro přeruší provádění procesu vyvolána obsluha signálu implicitní obsluha v jádře OS proces definuje vlastní obsluhu (proceduru) jsou oblíbené pro manipulaci s procesy ukončení procesu (slušné, násilné, chybou) znovunačtení (změněné) konfigurace

Signály v Unixu propojení na řídící znaky terminálu může být změněno příkazem stty CTRL+c → SIGINT → implicitně ukončení procesu CTRL+z → SIGTSTP → pozastavení procesu CTRL+\ → QUIT → ukončení + zápis core ošetření výjimek (standardně ukončení + core) SIGFPE → dělení nulou SIGSEGV → porušení ochrany paměti signalizace od jádra SIGPIPE → po ukončení procesu, který čte z roury

Použití signálů v Unixu systémové volání jádra – kill() knihovní funkce z programu nebo příkaz kill pro daný proces (PID) nebo pro skupinu procesů definice handleru proces sám definuje obsluhu signálu ignorování nebo procedura (vlastní nebo implicitní) není-li definována, tak implicitní handler nelze pro SIGKILL a SIGSTOP problémy souběh, globální proměnné, non-reentrantní funkce

Zasílání zpráv velmi flexibilní lze předávat v rámci 1 systému, ale i přes síť zasílání zpráv použito i u sběrnice PCI, PCIe umístění zprávy sdílená paměť → předání ukazatele buffer, fronta zpráv možné problémy + ošetření chyb ztráta nebo duplicita zprávy zkomolení zprávy jeden z procesů skončí

Odlišnosti zasílání zpráv počet participujících procesů dva nebo více → způsob vytváření spojení vlastnosti spojení kapacita spojení (kolik nezpracovaných) při nulové se odesílatel blokuje nebo se zpráva ztratí → nutnost kombinovat se synchronizačními prostředky omezená a neomezená kapacita velikost zpráv – pevná, proměnná duplex – jednosměrnost, obousměrnost synchronní, asynchronní – bez čekání na odpověď

Zprávy v Linuxu ipcs -l kromě informací a limitech zpráv poskytuje též informace o sdílené paměti

Zprávy ve Windows MS Windows nemají signály (nejsou POSIX) WinAPI (nízkoúrovňové) vyšší jazyky mohou zprávy řešit jinak používá se zasílání zpráv funkce PostMessage a DispatchMessage program má funkce „WinMain“ a „WinProc“ zpráva WM_CLOSE (zavření okna křížkem) posláno po stisku „End Task“ ve správce procesů po stisku „End Process“ program ukončen bez signálu/zprávy WM_DESTROY (není okno, program běží) „nezavřitelný“ program nedělá po WM_CLOSE nic

Kolona (roura) propojení příbuzných procesů propojení přes deskriptory jednosměrné spojení (jeden zapisuje, druhý čte) vytváří se skupina procesů jádro posílá při přerušení roury signál SIGPIPE skupina reaguje ukončením („broken pipe“) v paměti kruhový vyrovnávací paměť – buffer typicky se využívá v příkazovém řádku grep ro /etc/passwd | sort

Pojmenovaná roura umožňuje spojení nepříbuzných procesů definuje POSIX styčné místo je speciální soubor typu roura název lze nějak předat nepříbuzným procesům vytvořená pojmenovaná roura „přežije“ ukončení procesů data vyměňována v paměti (buffer) pouze jednosměrná komunikace (FIFO) jeden proces zapisuje, další čte

IPC socket též tzv. Unix Domain Socket, definuje POSIX speciální soubor, ale implementováno v RAM obdoba síťové komunikace od roury přidává obousměrnou komunikaci navíc možnost více klientů například PostgreSQL server + klient /tmp/.s.PGSQL.5432 klient otevře a připojí se

Sdílená paměť velmi flexibilní, definuje ji POSIX lze využít pro komunikaci programátor si (komunikaci) přizpůsobí dle svých potřeb funkce pro ovládání → syscall, knihovny definuje vytvoření, připojení, získání ukazatele pak zápisy i čtení, odpojení, zrušení sdílené paměti jednotné API (POSIX) zaručuje přenositelnost vzniká problém souběhu tj. problém současného zápisu do jednoho místa způsobuje ho multitasking, vícejádrové systémy

Řešení sdílené paměti využívá tabulky stránek dva různé procesy mají v tabulce stejnou stránku proces vytvoří sdílenou paměť o velikosti X lze definovat omezení: jen pro čtení, i pro zápis jádro vrátí identifikátor identifikátor je potřeba předat jinému procesu třeba skrze společný soubor (roura, socket) nebo tím, teprve pak proces odštěpí potomka jiný proces se ke sdílené paměti připojí získá ukazatel (adresu v paměti) řešíme problém souběhu (zámky, synchronizace) po ukončení práce je nutno sdílený úsek zrušit

Problém souběhu dva (i více) procesů mění stejná data při samostatném přístupu se problém neprojeví problémem je neatomická operace první proces upravuje sekvenčně data dojde ke změně kontextu na druhý proces druhý proces čte nekonzistentní data řešíme zamykáním zámky jsou knihovní funkce → univerzální použití též možnost atomické funkce + serializace

Thready běžné procesy jsou v paměti odděleny thready sdílí společnou paměť při zápisu čehokoliv do paměti je problém souběhu řeší se zamykáním, synchronizačními primitivy nebo oddělené proměnné pro každý thread chyba v jednom threadu ovlivní ostatní typicky ukončení všech threadů problém pluginů v prohlížečích chyba ve Flashi → pád celého prohlížeče vyvedení pluginu do samostatného procesu → výkon!