操作系统原理学习笔记（九）-进程通信

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进程通信

进程通信：
进程之间的信息交换。

低级进程通信：
如信号量机制，在互斥与同步时，需要交换信息，
效率低：每次只能交换一个消息。
通信对用户不透明：OS只为进程通信提供共享存储器，进程通信的设计、存储、传输都需要程序员去实现。

OS提供的高级通信工具特点：
使用方便：隐藏通信时细节，提供一组用于实现高级通信的原语命令，方便使用。
高效传输大量数据：用户可直接利用高级通信原语高效的传输大量数据。

进程通信的类型

目前，高级通信机制可归结为四大类：
共享存储器系统、管道通信系统、消息传递系统、客户机-服务器系统。

共享存储器系统(Shared-Memory System)

• 基于共享数据结构的通信方式：要求诸进程共用某些数据结构，以实现进程间信息交换，如生产者-消费者问题中的有界缓冲区。适用于传递少量的数据，通信效率低下，属于低级通信。
• 基于共享存储区的通信方式：在内存划分一块共享存储区域，进程间信息交互在此由进程完成。使用前，向系统申请，并对其中进行读写操作，完成后退还给系统，属于高级通信。

管道(pipe)通信系统

首创于Unix系统，在Unix系统中，分为有名管道(fifo)与无名管道(pipe)。
管道文件连接一个读进程与一个写进程，以字符流形式传输。
为了协调双方通信，需实现三方面的协调能力：
互斥：读/写操作不允许同时进行。
同步：写进程将一定量数据写入pipe后，睡眠等待，直到读进程取走数据，再将它唤醒。当pipe空时，读进程睡眠等待，知道写进程写入数据后被唤醒。
确定对方存在：双方均存在时才能通信。

消息传递系统(Message passing system)：

不借助任何共享存储区或数据结构，而是以格式化的消息(message)为单位，将通信数据封装在消息中，并利用OS提供的一组通信原语进行消息传递。
例如，计算机网络中的报文传递，就是该类消息的一种形式。
直接通信方式：发送进程利用OS提供的发送原语，直接将消息发给目的进程。
间接通信方式：发送与接受进程，都通过共享中间实体（称为邮箱）的方式通信。

客户机-服务器系统(Client-Server system)：

在网络环境的各种应用领域中属于主流通信实现机制。
三类实现方法：套接字、远程过程调用、远程方法调用。

套接字(Socket)

（这部分内容太长了，为了排版一致不好分段，我后面可能会从计算机网络的角度再写一篇关于套接字的。）
一个套接字就是一个通信标识类型的数据结构，包含通信目的地址、通信端口号、通信网络传输层协议、进程所在网络地址、针对客户或服务器程序提供的不同系统调用等。
是进程通信和网络通信的基本构件，包括两类：

基于文件型：通信进程处于同一台机器中，一个套接字关联一个特殊文件，通信双方通过该文件实现通信，类似pipe通信。

基于网络型：采用非对称方式通信，即发送者需要提供接受者命名。通信双方的进程运行在不同主机的网络环境下，被分配一对套接字，分属于接受与发送进程。一般地，发送进程发出连接请求时，随机申请一个套接字，并由主机分配一个端口绑定。接受进程拥有全局公认的套接字和指定的端口（如FTP监听21端口，Web或http服务器监听80端口），并通过监听端口等待客户请求。因此，任何进程都可以向其请求，以便通信连接建立。接受进程受到请求后，接受通信请求的连接，完成连接，即在主机间传输的数据可以准确发送到通信进程，实现进程间通信，通信结束时，系统通过关闭接受进程的套接字以撤销连接。

优势：不仅可用于机器内进程通信，还可以用于网络环境中不同计算机间的进程通信。由于套接字标识符唯一，不同的进程通信便于区分，确保通信双方之间逻辑链路的唯一性，便于实现数据传输的并发服务，并隐藏了通信设施及实现细节，采用统一的接口进行处理。

远程过程调用和远程方法调用

远程过程（函数）调用RPC(Remote Procedure Call)，是一个通信协议，用于通过网络连接的系统。该协议允许一台主机系统的进程调用另一台主机系统上的进程。如果涉及的软件采用面向对象编程，那么远程过程调用也可称为远程方法调用。
负责远程过程调用的进程有两个，一个本地客户进程，另一个是远程服务器进程，两个进程都被称为网络守护进程，主要负责网络间消息传递，一般情况下，两个进程都处于阻塞状态等待消息。
为了使PRC看上去与本地过程调用一样（实现RPC透明性），RPC引入一个存根(stub)的概念：在本地与服务器各有与过程关联的存根，调用过程，就是调用存根。

远程过程调用的主要步骤：
1.本地过程调用者以一般方式调用远程过程在本地关联的客户存根，传递相应参数，然后将控制权转移给客户存根。
2.客户存根执行，完成包括过程名和调用参数等信息的消息建立，将控制权转移给本地客户进程。
3.本地客户进程完成与服务器的消息传递，将消息发送到远程服务器进程。
4.远程服务器进程接受消息后转入执行，并根据其中的远程过程名找到对应服务器存根，将消息转给该存根。
5.服务器存根接受消息后，由阻塞转执行状态，拆开消息，然后以一般的方式调用服务器上关联的过程。
6.服务器处理完成后，将结果返回给与之关联的服务器存根。
7.服务器存根获得控制权运行，将结果打包成消息，并将控制权转移给远程服务器进程。
8.远程服务器进程将消息发送回客户端。
9.本地客户进程接受消息后，根据其中过程名将消息存入关联的客户存根，再将控制权转移给客户存根。
10.客户存根从消息中取出结果，返回给本地调用者进程，并完成控制权的转移。

消息传递通信的实现方式

进程间可以通过直接或间接的方式通信。

直接消息传递系统

使用OS提供的发送原语发送消息。

直接通信原语：
对称寻址方式：要求发送进程与接收进程以显式方式提供对方标识符，通常，系统提供两条通信原语：
send(receiver, message); //发送消息给接收进程
receive(sender, message); //接收Sender发来的消息
这种方式的不足在于，一旦改变进程名称，需要对所有相关引用进行检查，不能同步更新。
非对称寻址方式：接收方可能需要与多个发送进程通信，无法指定发送进程，对于这样的应用，在接收进程的原语中，不需要命名发送进程，只填写进程参数，即完成通信后的返回值：
send(P, message); //发送一个消息给进程P
receive(id, message); //接收来自任何进程的信息，id变量设置为进行通信的发送方进程id或名字

消息的格式：
对于单机系统环境中，可采用定长消息传递，减少资源开销。
若消息较长，可采用变长消息传递，方便用户，但开销加大。

进程的同步方式：
发送进程阻塞，接收进程阻塞：用于进程之间紧密同步，无缓冲的情况。
发送进程不阻塞，接收进程阻塞：应用最广的同步方式，发送进程可以尽快把多个消息发送给多个目标。
发送进程不阻塞，接收进程不阻塞：较常见，当发生某事件使得进程无法运行时，才把自己阻塞等待。

通信链路：
有两种建立方式。
1.发送进程在通信前用显式的建立连接原语请求系统建立通信链路，使用完后拆除，主要用于计算机网络中。
2.发送进程无需明确提出请求，只需利用系统提供的发送原语即可自动建立一条链路。
有两种通信方式：
1.只允许单向传递消息。
2.允许双向同时传递消息。

信箱通信

信箱通信属于间接通信方式，信箱有唯一标识符。
信箱（邮箱）是一个建立在随机存储器的公用缓冲区上，用来暂存消息的实体。
利用信箱即可实现实时通信，也可实现非实时通信。

信箱的结构：
信箱定义为一种数据结构，在逻辑上，可分为两个部分：
信箱头：存放信箱描述信息，如信箱标识符、信箱拥有者、信箱口令、信箱空格数等。
信箱体：由若干个可存放消息/消息头的信箱格组成，其数目及大小是在创建信箱时确定的。
消息传递可以是单向的，也可以是双向的。

信箱通信原语：
信箱的创建和撤销：进程可通过邮箱名字、邮箱属性创建信箱。对于共享信箱，还需给出共享者名字。进程不需要读信箱时，可用撤销原语撤销。
消息的发送和接受：进程之间使用信箱通信时，必须使用共享信箱，利用下面两个通信原语通信：
Send(mailbox, message); //发送一个消息至指定信箱
Receive(mailbox, message); //从指定信箱中接受一个消息

信箱的类型：
可由OS或用户进程创建，创建者即是拥有者，信箱分为三类：
私用信箱：用户进程为自己创建，并作为进程一部分，只有用户进程可读该信箱，其他用户只能发送消息到该信箱，该进程结束时，信箱随之消失。
公用信箱：由OS创建，提供给系统中所有核准进程使用，核准进程可发送消息至信箱，并读取发送给自己的消息。
共享信箱：由进程创建，创建时或创建后指明它是可共享的，并指出共享进程（用户）的名字。拥有者与共享者都可取走发送给自己的消息。

发送进程与接收进程之间的关系：
一对一关系：发送进程与接收进程建立一条两者专用的通信链路，使得两者信息交互不受其他进程干扰。
多对一关系：允许提供服务的进程与多个用户进程之间进行交互，也成为客户机/服务器交互（client/server interaction）。
一对多关系：允许一个发送进程与多个接收进程进行交互，使得发送进程可用广播方式向（多个）接收者发送消息。
多对多关系：允许建立一个公用信箱，让多个进程能向信箱中投递消息，并可取出发送给自己的消息。

直接消息传递系统实例

这部分在书上79页，全是代码，望而生畏。