В этой первой части я расскажу об определении межпроцессного взаимодействия, о том, что такое процессы и как они связаны с IPC, а также о двух популярных моделях, широко используемых в системах IPC.

Начав с краткого определения, межпроцессное взаимодействие (IPC) описывает средства, с помощью которых программы могут обмениваться информацией и координировать свою деятельность. Это фундаментальная возможность современных операционных систем, которая облегчает обмен информацией, ресурсами и сигналами между запущенными процессами.

Довольно просто, не так ли? Но прежде чем вы сможете узнать об IPC, вам необходимо узнать, что представляет собой процесс в контексте IPC.

В большинстве операционных систем процессы являются основной единицей выполнения, и они могут взаимодействовать друг с другом, используя различные методы IPC, такие как передача сообщений, разделяемая память и семафоры.

Каждый процесс в системе IPC имеет свой собственный уникальный идентификатор или идентификатор процесса (PID), который позволяет другим процессам идентифицировать его и обращаться к нему. Процессы могут отправлять и получать сообщения, читать и записывать в разделяемые области памяти и использовать механизмы синхронизации, такие как семафоры или мьютексы, для координации своих действий.

В системе IPC процессы могут выполнять множество задач, например выступать в качестве клиентского процесса, который запрашивает услуги у серверного процесса, или процесса-производителя, который генерирует данные для потребления процессом-потребителем. Процессы могут сотрудничать для выполнения сложных задач и разработки сложных систем, используя протоколы IPC для связи и координации друг с другом.

Наконец, теперь, когда мы понимаем IPC и то, как с ним связаны процессы, мы можем погрузиться прямо в модели IPC.

Есть две популярные модели IPC, которые широко используются в операционных системах: разделяемая память и передача сообщений.

Общая память

В этой модели два процесса могут совместно использовать одну и ту же область памяти или сегмент, который представляет собой пространство за пределами пространства ядра. Модель разделяемой памяти полезна, когда необходимо быстро обмениваться большими объемами данных между процессами. Это избавляет вас от необходимости копировать данные, что может занять много времени с большими наборами данных. Это может значительно повысить производительность процессов, которым необходимо часто взаимодействовать друг с другом.

Но есть и некоторые возможные проблемы с моделью разделяемой памяти. Поскольку несколько процессов могут использовать одну и ту же память, существует вероятность того, что данные будут повреждены или возникнут проблемы с синхронизацией, с которыми может быть трудно справиться. Кроме того, необходимо тщательно управлять общей памятью, чтобы убедиться, что все процессы, которые ее используют, синхронизированы, чтобы они не мешали друг другу.

Передача сообщений

Передача сообщений — это распространенная модель IPC, которая позволяет процессам взаимодействовать друг с другом, передавая сообщения туда и обратно. Передача сообщений — это когда один процесс отправляет сообщение другому, который затем может получить это сообщение и что-то с ним сделать.

Есть два основных способа отправить сообщение: прямо или косвенно. При прямой передаче сообщений процессы взаимодействуют друг с другом напрямую, используя системные вызовы или другие способы, предоставляемые им операционной системой. Прямая передача сообщений может быть синхронной или асинхронной, в зависимости от того, ожидает ли процесс, отправляющий сообщение, ответа от процесса, который его получает.

При непрямой передаче сообщений процессы взаимодействуют друг с другом через почтовый ящик или порт, который является общей структурой данных. Почтовый ящик — это, по сути, буфер, в котором могут храниться сообщения до тех пор, пока процесс, который будет их читать, не сможет их прочитать. Процессы могут отправлять сообщения в определенный почтовый ящик, а другие процессы могут читать из этого почтового ящика, чтобы получать сообщения. Косвенная передача сообщений также может происходить одновременно или в разное время.

Передача сообщений может использоваться в самых разных ситуациях, от распределенных систем и архитектур клиент-сервер до параллельных вычислений и систем реального времени. Это позволяет процессам взаимодействовать друг с другом, не нуждаясь в общей памяти или других общих ресурсах. Это может упростить разработку сложных систем, которые являются более надежными и могут расширяться по мере необходимости.

Но передача сообщений также имеет свои проблемы и ограничения.

Передача сообщений может быть менее эффективной, чем общая память, особенно при работе с большими объемами данных. Это связано с тем, что передача сообщений требует дополнительной работы.

Когда процесс отправляет сообщение другому процессу, операционная система должна выделить память для сообщения, скопировать данные сообщения в память, отведенную для сообщения, а затем отправить сообщение процессу-получателю.

Для этого требуется несколько системных вызовов и переключений контекста, которые могут занимать много времени и ресурсов, особенно для больших сообщений.

Вывод: что лучше?

Как правило, конкретные требования и требования приложения диктуют, какую парадигму IPC использовать — пересылку сообщений или общую память.

Обе модели имеют свои преимущества и недостатки, и лучший выбор будет зависеть от таких факторов, как размер и частота передачи данных, количество запущенных процессов и общий дизайн системы.

Оставайтесь с нами в следующей части, где я кратко и доступно расскажу о сигналах, каналах и сокетах.

До встречи!