Процессы и потоки. В современных версиях операционной системы UNIX помимо процессов существует понятие потока (или нити) исполнения

В современных версиях операционной системы UNIX помимо процессов существует понятие потока (или нити) исполнения. В рамках процесса может существовать несколько потоков, каждый из которых исполняется независимо, но все они объединены общим виртуальным адресным пространством. Можно сказать, что все процессы исполняются с единственным потоком по умолчанию, но при необходимости могут быть созданы новые потоки.

Потоки отсутствовали в оригинальной архитектуре UNIX и были добавлены под влиянием современных архитектур персональных компьютеров, в которых переключение контекста исполнения между процессами занимает значительно большее время, чем переключение контекста исполнения между потоками. Однако ценой эффективного переключения между потоками является сильное влияние потоков в рамках одного процесса друг на друга (критическая ошибка в одном потоке приводит к завершению всего процесса), поэтому в UNIX-системах потоки традиционно используются редко.

Межпроцессное взаимодействие

Полная изоляция процессов в операционной системе бессмысленна, так как им часто необходимо обмениваться данными в процессе работы. Поэтому одна из важнейших задач операционной системы — обеспечивать контролируемые взаимодействия процессов, в том числе за счет возможности разделения одного сегмента памяти между виртуальной памятью нескольких процессов. Для решения задачи межпроцессного взаимодействия в операционной системе UNIX существует набор специальных средств: потоки ввода-вывода, переменные окружения, каналы и сокеты, разделяемая память и сигналы. Рассмотрим подробнее все эти механизмы межпроцессного взаимодействия.

Разделяемая память

Самый простой способ «обойти» разделение виртуальных пространств процессов — использование разделяемой памяти. Это специальный механизм, с помощью которого средствами операционной системы два процесса могут обращаться к общему участку физической памяти — каждый через свое адресное пространство.

Рисунок 1.43. Разделяемая память

Для операционной системы этот способ является наиболее простым — ведь все страницы виртуальной памяти процессов в любом случае проецируются на какую-то область физической памяти — так почему бы на ту же область не проецировать часть адресного пространства другого процесса? Самое важное, что такое взаимодействие не требует каких-либо накладных расходов, процессы обмениваются информацией со скоростью обращения к памяти.

Однако для пользователя такой способ межпроцессного взаимодействия является труднодоступным. Во-первых, программы, взаимодействующие таким образом, должны изначально содержать соответствующий код — с помощью специальных системных вызовов обе программы должны обозначить участки своих адресных пространств, предназначенные для обмена информацией. Другая сложность состоит в том, что разделяемая память сама по себе не содержит средств синхронизации, программы должны согласованно изменять общий участок памяти, чтобы не испортить данные; обычно для этих целей применяются семафоры и аналогичные механизмы синхронизации.

Таким образом, разделяемая память — наиболее быстрый способ обмена, но при этом малопригодный для широкого использования. Обычная сфера применения разделяемой памяти — специализированные высокопроизводительные программы. Стоит также обратить внимание на явную аналогию разделяемой памяти и исполнения множества потоков в рамках одного процесса — в UNIX эти инструменты построения программ используются редко и только в связи с высокопроизводительными вычислениями и вводом-выводом.