Inter-process Communication (IPC) — подробное руководство по механизму/программе

IPC – это, понятие, связанное с операционной системой, но есть смысл разобраться в том, что это такое, более подробно.

Этим и займемся.

Теоретическая страничка

Каждый хоть немного представляет себе работу обычной операционной системы.

А теперь представьте, что привычная для нас работа нашей ОС превратилась в своего злого двойника, который не просто не похож на свой оригинал, но еще и выполняет все свои обязанности.

Это вполне логично, так как для высокого коэффициента работы любой системы просто необходима передача информации между составляющими.

Хоть «ядро» нашего компьютера запрограммировано искать информацию в каком-то определенном источнике, принцип роботы по сути тот же.

Принцип работы

Для правильного функционирования системы приложениям в обязательном порядке нужна беспрерывная коммуникация между большинством процессов, либо они сами обязаны предоставлять нужную информацию по требованию процессов.

Именно из-за такой потребности в постоянном обмене информацией с приложениями, в операционную систему встраивается не малое количество механизмов, которые отвечают за поддерживание постоянного и безошибочного потока информации.

Такие механизмы или программы носят название «межпроцессорное взаимодействие» – с перевода Inter-process Communication (IPC).

Работает данная программа непосредственно в самой операционной системе, и является основой для передачи любой информации.

Примеры работы IPC

Еще до развития сетевых технологий актуальным стал вопрос о необходимости в передаче информации от процессора к процессору, работающих на одном компьютере.

Существует просто огромное количество примеров, когда данная программа была использована в довольно примитивных, на сегодняшнее время, механизмах.

В процессе развития технологий, когда сетевые технологии и системы только начинали свой долгий путь развития, стала появляться потребность в механизмах создающих взаимосвязь процессоров, которые реализуется на разных компьютерах, состоящих в одной сети.

Дело в том, что такая связь могла проводить обмен данными, если только их платформы или операционные системы относились к одинаковым моделям.

В современной сети данные проблемы уже давно никого не беспокоят. Вот вам краткий наглядный пример работы в таких сетях.

Данные процессы выполняются на двух разных компьютерах, в двух разных местах:

И вы совершенно не задаетесь вопросом, какая у серверов операционная система.

Затрагивая общий принцип работы таких форм как IPC, и не только таких, как она, используется в основном концепция «клиент-сервер».

Понятно, что «клиент» — это приложение, которое запрашивает информацию, а запрос информации идет уже к «серверу» — приложению которое предоставляет нужную информацию.

Общее положение

Рассмотрев все возможности и примеры использования межпроцессорного взаимодействия, вы сами можете убедиться в том, что данное обеспечение просто необходимо для работы операционной системы, к которой мы так привыкли.

На сегодняшний день требования к операционным системам увеличивается пропорционально с ростом уровня технологий.

Но мало кто знает, что современные операционные системы, которые поддерживают многозадачность своей системы, должны иметь в себе такие программы или механизмы, которые обеспечивают синхронизацию процессоров без взаимоисключений и с минимальными задержками.

Если говорить об идеальной многозадачной системе, то все процессы, выполняющееся в ней, должны быть независимы друг от друга, то есть быть асинхронными.

В реальности такая «идеальная» система невозможна, так как рано или поздно возникают ситуации, когда процессам необходим доступ к некоторым общим ресурсам.

Для получения данной возможности, на уровне операционной системы водятся специальные ресурсы, которые предоставляют им данную возможность.

Но тут, конечно же, не без исключений. При выполнении параллельных процессов могут возникать проблемы.

Три основных вида IPC

Этот вид IPC полностью привязан к своему компьютеру, работа осуществляется только в пределах одной системы (компьютера).

Он является основным и обязательным для работы процессов обеспечивающих передачу данных по системе, а именно для каналов, очередей сообщений и разделяемой памяти.

Из-за своей ограниченности, в плане коммуникационного пространства, данные IPC, могут работать лишь в пределах своей локальной системы.

Чтобы обеспечить взаимодействие в пределах системы с одним процессором или между программами на различных процессорах, соединенных через одну сеть, используются специальные механизмы, которые предоставляют удаленное IPC.

Последний и, пожалуй, один из самых тяжелых в использовании вид IPC – высокоуровневый.

Этот пакет данных создает так называемый «промежуточный слой», который предоставляет возможность общения между системной платформой и приложением.

Обеспечение корректной работы обмена данных

Вместе со своей основной функцией, обеспечения взаимодействий процессоров, средства ICP подключены к решению проблем, возникающих при организации параллельных вычислений.

1Конкурентные ситуации между процессами. Можем представить себе идеальную систему, в которой проходит лишь одно действие, это считывание данных с одного файла. Данная система находиться в полном спокойствии до тех пор, пока одному из процессов не понадобиться изменить данный файл. В таком случае между процессами возникает «конкурентная ситуация». Это можно сравнить с камешком в каком-то механизме.

2Очередь последовательной записи информации. Для того чтобы предоставить пользователям возможность быстрой и надежной записи данных, создаются специальные очереди. Я думаю вам известно, что такое очередь. Но на самом деле создается не одна, а две очереди. Отличаются данные очереди от настоящих только тем, что одна из них используется только для чтения, а другая уже позволяет нам записывать нужную информацию. Данная очередь создается в целях предотвращения тупиков, которые мы обсудим немного ниже.

А что насчет тех процессов, которые требуют неотъемлемой скорости своего решения?

Раньше, когда создавали упомянутые выше очереди, возникла проблема, при которой некоторые процессы могли подолгу ждать своей очереди, в то время, когда этот процесс был неотлагаемым.

Также, существует термин, который и в теории, и на практике обоснован своим названием – это тупик.

Его особенность в том, что хоть процессы уже освободились, они не могут переходить на следующую ступень для завершения процесса.

Данные процессы замыкаются между собой в данный момент и ждут взаимного освобождения файла, при этом, не освобождая свой файл.

Также они должны быть построены строго в восходящем порядке номеров.

Современные примеры работы ICP

Чтобы наглядно изобразить взаимодействие программ на одном компьютере, существует знакомый нам ресурс – буфер обмена.

А принцип его работы заключен в следующем: выделенный вами текст из текстового редактора после выделения помещается в электронную таблицу или в ту же программу для верстки.

Вы сами можете убедиться, что следы механизмов межпроцессорного взаимодействия можно обнаружить даже в мелких деталях.

Было множество попыток создания программ или механизмов, которые обеспечили бы быструю и эффективную передачу информации между процессорами.

Хоть было создано довольно много подобных средств, множество из них до сих пор сохранились или послужили в качестве основы для будущих моделей.

Стоит заметить, что множество из них были реализованы в Windows 9x, а еще большее количество в Windows NT/2000.

В какую бы среду не попал пользователь – все ровно какой-то из способов будет предпочтительней, хоть большой разницы в нормальных условиях, между ними и нет.

Но можем вас уверить в том, что после этой статьи вас больше не затруднит ориентирование в ресурсах, связанных с IPC или выбор того или иного метода роботы, взвешивая все плюсы и минусы.

Для тех людей, которые думают, что развития в данной технологии не предвещается, есть один факт, который изменит ваше мнение.

Программы и механизмы, которые связанны с IPC, напрямую связанны с операционной системой. То есть, эффективность и надежность данных ресурсов будет возрастать по мере улучшения роботы операционной системы.