2.6進程通信

進程通信是指進程之間的信息交換。由于進程的互斥與同步，需要在進程間交換一定的信息，故不少學者將它們也歸為進程通信，但只能把它們稱為低級進程通信。我們以信號量機制為例來說明，它們之所以低級的原因在于：①效率低，生產(chǎn)者每次只能向緩沖池投放一個產(chǎn)品(消息)，消費者每次只能從緩沖區(qū)中取得一個消息；②通信對用戶不透明，OS只為進程之間的通信提供了共享存儲器。在進程之間要傳送大量數(shù)據(jù)時，應(yīng)當利用OS提供的高級通信工具，該工具最主要的特點是：

(1)使用方便。OS隱藏了實現(xiàn)進程通信的具體細節(jié)，向用戶提供了一組用于實現(xiàn)高級通信的命令(原語)，用戶可方便地直接利用它實現(xiàn)進程之間的通信。或者說，通信過程對用戶是透明的。這樣就大大減少了通信程序編制上的復(fù)雜性。

(2)高效地傳送大量數(shù)據(jù)。用戶可直接利用高級通信命令(原語)高效地傳送大量的數(shù)據(jù)。2.6.1進程通信的類型

1.共享存儲器系統(tǒng)(Shared-MemorySystem)

在共享存儲器系統(tǒng)中，相互通信的進程共享某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或共享存儲區(qū)，進程之間能夠通過這些空間進行通信。據(jù)此，又可把它們分成以下兩種類型：

(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式。

(2)基于共享存儲區(qū)的通信方式。

2.管道(pipe)通信系統(tǒng)

所謂“管道”，是指用于連接一個讀進程和一個寫進程以實現(xiàn)它們之間通信的一個共享文件，又名pipe文件。向管道(共享文件)提供輸入的發(fā)送進程(即寫進程)以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道；而接受管道輸出的接收進程(即讀進程)則從管道中接收(讀)數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進程和接收進程是利用管道進行通信的，故又稱為管道通信。這種方式首創(chuàng)于UNIX系統(tǒng)，由于它能有效地傳送大量數(shù)據(jù)，因而又被引入到許多其它操作系統(tǒng)中。為了協(xié)調(diào)雙方的通信，管道機制必須提供以下三方面的協(xié)調(diào)能力：①互斥，即當一個進程正在對pipe執(zhí)行讀/寫操作時，其它(另一)進程必須等待。②同步，指當寫(輸入)進程把一定數(shù)量(如4?KB)的數(shù)據(jù)寫入pipe，便去睡眠等待，直到讀(輸出)進程取走數(shù)據(jù)后再把它喚醒。當讀進程讀一空pipe時，也應(yīng)睡眠等待，直至寫進程將數(shù)據(jù)寫入管道后才將之喚醒。③確定對方是否存在，只有確定了對方已存在時才能進行通信。

3.消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)

在該機制中，進程不必借助任何共享存儲區(qū)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是以格式化的消息(message)為單位，將通信的數(shù)據(jù)封裝在消息中，并利用操作系統(tǒng)提供的一組通信命令(原語)，在進程間進行消息傳遞，完成進程間的數(shù)據(jù)交換。

基于消息傳遞系統(tǒng)的通信方式屬于高級通信方式，因其實現(xiàn)方式的不同，可進一步分成兩類：

(1)直接通信方式

(2)間接通信方式

4.客戶機-服務(wù)器系統(tǒng)(Client-Serversystem)

1)套接字(Socket)

套接字起源于20世紀70年代加州大學伯克利分校版本的UNIX(即BSDUnix)，是UNIX操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)通信接口。一開始，套接字被設(shè)計用在同一臺主機上多個應(yīng)用程序之間的通信(即進程間的通信)，主要是為了解決多對進程同時通信時端口和物理線路的多路復(fù)用問題。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及UNIX操作系統(tǒng)的廣泛使用，套接字已逐漸成為最流行的網(wǎng)絡(luò)通信程序接口之一。

2)遠程過程調(diào)用和遠程方法調(diào)用

遠程過程(函數(shù))調(diào)用RPC(RemoteProcedureCall)，是一個通信協(xié)議，用于通過網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)。該協(xié)議允許運行于一臺主機(本地)系統(tǒng)上的進程調(diào)用另一臺主機(遠程)系統(tǒng)上的進程，而對程序員表現(xiàn)為常規(guī)的過程調(diào)用，無需額外地為此編程。如果涉及的軟件采用面向?qū)ο缶幊蹋敲催h程過程調(diào)用亦可稱做遠程方法調(diào)用。實際上，遠程過程調(diào)用的主要步驟是：

(1)本地過程調(diào)用者以一般方式調(diào)用遠程過程在本地關(guān)聯(lián)的客戶存根，傳遞相應(yīng)的參數(shù)，然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給客戶存根；

(2)客戶存根執(zhí)行，完成包括過程名和調(diào)用參數(shù)等信息的消息建立，將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給本地客戶進程；

(3)本地客戶進程完成與服務(wù)器的消息傳遞，將消息發(fā)送到遠程服務(wù)器進程；

(4)遠程服務(wù)器進程接收消息后轉(zhuǎn)入執(zhí)行，并根據(jù)其中的遠程過程名找到對應(yīng)的服務(wù)器存根，將消息轉(zhuǎn)給該存根；

(5)該服務(wù)器存根接到消息后，由阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)入執(zhí)行狀態(tài)，拆開消息從中取出過程調(diào)用的參數(shù)，然后以一般方式調(diào)用服務(wù)器上關(guān)聯(lián)的過程；

(6)在服務(wù)器端的遠程過程運行完畢后，將結(jié)果返回給與之關(guān)聯(lián)的服務(wù)器存根；

(7)該服務(wù)器存根獲得控制權(quán)運行，將結(jié)果打包為消息，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給遠程服務(wù)器進程；

(8)遠程服務(wù)器進程將消息發(fā)送回客戶端；

(9)本地客戶進程接收到消息后，根據(jù)其中的過程名將消息存入關(guān)聯(lián)的客戶存根，再將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給客戶存根；

(10)客戶存根從消息中取出結(jié)果，返回給本地調(diào)用者進程，并完成控制權(quán)的轉(zhuǎn)移。2.6.2消息傳遞通信的實現(xiàn)方式

1.直接消息傳遞系統(tǒng)

在直接消息傳遞系統(tǒng)中采用直接通信方式，即發(fā)送進程利用OS所提供的發(fā)送命令(原語)，直接把消息發(fā)送給目標進程。

1)直接通信原語

(1)對稱尋址方式。

(2)非對稱尋址方式。

2)消息的格式

在消息傳遞系統(tǒng)中所傳遞的消息，必須具有一定的消息格式。在單機系統(tǒng)環(huán)境中，由于發(fā)送進程和接收進程處于同一臺機器中，有著相同的環(huán)境，所以消息的格式比較簡單，可采用比較短的定長消息格式，以減少對消息的處理和存儲開銷。該方式可用于辦公自動化系統(tǒng)中，為用戶提供快速的便箋式通信。但這種方式對于需要發(fā)送較長消息的用戶是不方便的。為此，可采用變長的消息格式，即進程所發(fā)送消息的長度是可變的。對于變長消息，系統(tǒng)無論在處理方面還是存儲方面，都可能會付出更多的開銷，但其優(yōu)點在于方便了用戶。

3)進程的同步方式

在進程之間進行通信時，同樣需要有進程同步機制，以使諸進程間能協(xié)調(diào)通信。不論是發(fā)送進程還是接收進程，在完成消息的發(fā)送或接收后，都存在兩種可能性，即進程或者繼續(xù)發(fā)送(或接收)或者阻塞。

4)通信鏈路

為使在發(fā)送進程和接收進程之間能進行通信，必須在兩者之間建立一條通信鏈路。有兩種方式建立通信鏈路。第一種方式是：由發(fā)送進程在通信之前用顯式的“建立連接”命令(原語)請求系統(tǒng)為之建立一條通信鏈路，在鏈路使用完后拆除鏈路。

2.信箱通信

1)信箱的結(jié)構(gòu)

信箱定義為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在邏輯上，可以將其分為兩個部分：

(1)信箱頭

(2)信箱體圖2-16雙向信箱示意圖

2)信箱通信原語

系統(tǒng)為郵箱通信提供了若干條原語，分別用于：

(1)郵箱的創(chuàng)建和撤消。

(2)消息的發(fā)送和接收。

3)信箱的類型

郵箱可由操作系統(tǒng)創(chuàng)建，也可由用戶進程創(chuàng)建，創(chuàng)建者是郵箱的擁有者。據(jù)此，可把郵箱分為以下三類：

(1)私用郵箱。

(2)公用郵箱。

(3)共享郵箱。2.6.3直接消息傳遞系統(tǒng)實例

消息緩沖隊列通信機制首先由美國的Hansan提出，并在RC4000系統(tǒng)上實現(xiàn)，后來被廣泛應(yīng)用于本地進程之間的通信中。在這種通信機制中，發(fā)送進程利用Send原語將消息直接發(fā)送給接收進程；接收進程則利用Receive原語接收消息。

1.消息緩沖隊列通信機制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)消息緩沖區(qū)。

(2)PCB中有關(guān)通信的數(shù)據(jù)項。

2.發(fā)送原語

發(fā)送進程在利用發(fā)送原語發(fā)送消息之前，應(yīng)先在自己的內(nèi)存空間設(shè)置一發(fā)送區(qū)a，如圖2-17所示，把待發(fā)送的消息正文、發(fā)送進程標識符、消息長度等信息填入其中，然后調(diào)用發(fā)送原語，把消息發(fā)送給目標(接收)進程。發(fā)送原語首先根據(jù)發(fā)送區(qū)a中所設(shè)置的消息長度a.size來申請一緩沖區(qū)i，接著，把發(fā)送區(qū)a中的信息復(fù)制到緩沖區(qū)i中。為了能將i掛在接收進程的消息隊列mq上，應(yīng)先獲得接收進程