Kommunikation von Prozessen und Threads

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1 Kommunikation von Prozessen und Threads Sommersemester 2015 Prof. Dr. Peter Mandl Prof. Dr. Peter Mandl Seite 1

2 Gesamtüberblick 1. Einführung in Computersysteme 2. Entwicklung von Betriebssystemen 3. Architekturansätze 4. Interruptverarbeitung in Betriebssystemen 5. Prozesse und Threads 6. CPU-Scheduling 7. Synchronisation und Kommunikation 8. Speicherverwaltung 9. Geräte- und Dateiverwaltung 10.Betriebssystemvirtualisierung Sender Empfänger t send receive Puffer Lesen aus dem Puffer receive Prof. Dr. Peter Mandl Seite 2

3 Überblick 1. Einführung in die Grundbegriffe der Kommunikation 2. Lokale Kommunikation 3. Verteilte Kommunikation Prof. Dr. Peter Mandl Seite 3

4 Zielsetzung Grundlegende Begriffe der Prozess-Prozess- Kommunikation im lokalen und verteilten Umfeld kennenlernen Beispielmechanismen zur Programmierung von Kommunikationsanwendungen kennenlernen Prof. Dr. Peter Mandl Seite 4

5 Motivation Kommunikation ist der Austausch von Informationen zwischen: - Menschen - Mensch und Maschine (Rechnersystem) - Maschinen: Zwischen Prozessen/Threads innerhalb einer Maschine (lokal) oder Rechner-übergreifend (verteilt) Rechnersystem 1 Rechnersystem 2 P3 verteilt P1!! lokal P2 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 5

6 Wichtige Aspekte Speicherbasierte versus nachrichtenbasierte Kommunikation Verbindungsorientierte versus verbindungslose Kommunikation Synchrone versus asynchrone Kommunikation Senderichtung im Kommunikationskanal: Halbduplex- versus Vollduplex-Betrieb, auch simplex möglich Varianten der Empfängeradressierung Prof. Dr. Peter Mandl Seite 6

7 Speicherbasierte und nachrichtenbasierte Kommunikation Speicherbasiert: Daten werden in einem gemeinsamen Speicher ausgetauscht oder geshared Gleicher Adressraum, Shared Memory Datenbank Datei Nachrichtenbasiert: Zwischen Prozessen/Threads werden Nachrichten ausgetauscht einheitliches Protokoll P1 P2 Nachricht 1 Nachricht 2 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 7

8 Verbindungsorientierte und verbindungslose Kommunikation Verbindungsorientiert: - Vor dem Datenaustausch wird eine logische Verbindung aufgebaut und danach wieder abgebaut - Kommunikationspartner kennen Verbindungszustand Verbindungslos: Daten werden ohne Verbindungsmanagement vom Sender zum Empfänger übertragen Senderadresse wird in der Nachricht mit übertragen Prof. Dr. Peter Mandl Seite 8

9 Speicherbasierte Kommunikation über einen Adressraum Zwei Threads kommunizieren in einem Adressraum miteinander Prozessadressraum Thread 2 Thread 1 Shared Data Synchronisation Laufzeitsystem Betriebssystem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 9

10 Speicherbasierte Kommunikation Variante Shared Memory Zwei Threads aus getrennten Adressräumen kommunizieren über Shared Memory Prozess 1 Prozess 2 Thread 2 Thread 1 Thread 3 Shared Memory Shared Memory wird in die Adressräume beider Prozesse kopiert Synchronisation Betriebssystem, Hauptspeicher Prof. Dr. Peter Mandl Seite 10

11 Speicherbasierte Kommunikation Variante Gemeinsamer Dateizugriff Zwei Threads aus getrennten Adressräumen kommunizieren über Dateiaustausch Prozess 1 Prozess 2 Thread 2 Thread 1 Thread 3 Synchronisation Gemeinsam genutzte Datei oder DB Betriebssystem, Dateisystem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 11

12 Nachrichtenbasierte Kommunikation über Kommunikationsdienste Zwei Threads aus getrennten Adressräumen kommunizieren über Kommunikationsdienste - Z.B. über TCP oder UDP - Sockets-Schnittstelle Prozess 1 Prozess 2 Thread 2 Thread 1 Thread 1 Kommunikationsdienste Betriebssystem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 12

13 Synchron versus asynchron Synchrone Kommunikation ist blockierend Sender Empfänger t send receive Antwort kommt an send Prof. Dr. Peter Mandl Seite 13

14 Synchron versus asynchron Asynchrone Kommunikation ist beim Senden nicht blockierend Sender Empfänger t send Puffer Lesen aus dem Pfuffer receive receive Prof. Dr. Peter Mandl Seite 14

15 Halbduplex- versus Vollduplexbetrieb Halbduplex: Nur einer der Partner sendet zu einer Zeit (Wechselbetrieb) Vollduplex: beide Partner können unabhängig voneinander senden (Gegenbetrieb) Auch simplex möglich (nur in eine Richtung) Partner 1 Partner 2 Partner 1 Partner 2 t send halbduplex send vollduplex send send send send send send Prof. Dr. Peter Mandl Seite 15

16 Varianten der Empfängeradressierung Unicast: nur ein Empfänger wird adressiert Alle anderen Varianten adressieren mehrere Empfänger Unicast (1:1) Multicast (1:n) Anycast (1:1...n) Broadcast (1:m) E 1 E 1 E 1 S E 1 S E 2... E n S E 2... E n Nur E 2 nimmt hier Nachricht an! S E 2 E 3... E m Prof. Dr. Peter Mandl Seite 16

17 Überblick 1. Einführung in die Grundbegriffe der Kommunikation 2. Lokale Kommunikation 3. Verteilte Kommunikation Prof. Dr. Peter Mandl Seite 17

18 Beispiele Unter Unix (je nach Derivat) und Windows gibt es verschiedene IPC-Mechanismen: - Pipes und FIFO s (Named Pipes) als Nachrichtenkanal - Nachrichtenwarteschlangen (Message Queues) - Gemeinsam genutzter Speicher (Shared Memory) - Sockets mit IP-Loopback-Mechanismus Vorhandene Synchronisationsmechanismen: - Semaphore und Signale Prof. Dr. Peter Mandl Seite 18

19 Pipes Pipes: Spezieller unidirektionaler Mechanismus Unidirektionale und bidirektionale Kommunikation durch Nutzung mehrerer Pipes Bidirektionale Kommunikation über zwei Pipes kann sowohl halb- als auch vollduplex betrieben werden Pipe Prozess 1 Prozess 2 Schreibseite unidirektional Leseseite bidirektional Pipe 1 Prozess 1 Prozess 2 Pipe 2 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 19

20 Pipes unter Unix Pipes werden u.a. genutzt, um die Standardausgabe eines Prozesses mit der Standardeingabe eines weiteren Prozesses zu verbinden Beispiel in Unix: who sort lpr (vgl.: Stevens) Prozess who Prozess sort Prozess lpr Unix-Kommandos: who sort lpr Pipe 1 Pipe 2 Betriebssystem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 20

21 Pipes: Programmierung (1) Erzeugen einer Pipe: - Unter Unix mit dem Systemaufruf pipe() oder popen() - Unter Windows NT mit CreatePipe() Schließen einer Pipe: - Unter Unix mit dem Systemaufruf close() oder pclose() - Unter Windows NT mit closehandle() Elternprozess erzeugt Pipe und vererbt sie an den Kindprozess Man kann Pipes blockierend (Normalmodus) und nicht blockierend einsetzen. Blockierend bedeutet: - Wenn die Pipe voll ist blockiert der Sendeprozess - Wenn die Pipe leer ist blockiert der Leseprozess - Sinnvoll für Erzeuger-Verbraucher-Problem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 21

22 Pipes: Programmierung (2) Beispielprogramm int fds[2] / Filedescriptoren für Pipe char *text = Hi, wie geht es!\n ; char buffer[5]; pipe(fds); if (fork() == 0) { // 1. Kindprozess, Standardausgabe auf Pipe-Schreibseite (Pipe-Eingang) legen // und Pipe-Leseseite (Pipe-Ausgang) schließen (wird nicht benötigt) dup2(fds[1], 1); // 1 = Standardausgabe close(fds[0]); write (1, text, strlen(text)+1); } else{ Erzeugt zwei Prozesse Erzeugt Pipe Standardausgabe über Pipe-Eingang Pipe Hi, wie geht es! Standardeingabe über Pipe-Ausgang Elternprozess Kindprozess Kindprozess Prof. Dr. Peter Mandl Seite 22

23 Pipes: Programmierung (3) Beispielprogramm else{ if (fork() == 0) { } // 2. Kindprozess, Pipe-Leseseite (Pipe-Ausgang) auf // Standardeingabe umlenken und Pipe-Schreibseite // (Pipe-Eingang) schließen dup2(fds[0], 0); // 0 = standardeingabe close(fds[1]); while (count = read(0, buffer, 4)) { // Pipe in einer Schleife auslesen buffer[count] = 0; // String terminieren printf( %s, buffer) // und ausgeben } Standardausgabe über Pipe-Eingang Erzeugt zwei Prozesse Pipe Hi, wie geht es! Erzeugt Pipe Standardeingabe über Pipe-Ausgang Elternprozess Kindprozess Kindprozess Prof. Dr. Peter Mandl Seite 23

24 Pipes: Programmierung (4) Beispielprogramm } } else { // Im Vaterprozess: Pipe an beiden Seiten schließen und // auf das Beenden der Kindprozesse warten close(fds[0]); close[fds[1]); wait(&status); wait(&status); } exit(0); Elternprozess Erzeugt Pipe Erzeugt zwei Prozesse Standardausgabe über Pipe-Eingang Pipe Hi, wie geht es! Standardeingabe über Pipe-Ausgang Kindprozess Kindprozess Prof. Dr. Peter Mandl Seite 24

25 Überblick 1. Einführung in die Grundbegriffe der Kommunikation 2. Lokale Kommunikation 3. Verteilte Kommunikation Prof. Dr. Peter Mandl Seite 25

26 Netze Netze werden in verschiedensten Bereichen benötigt Beispiele für Netze: - Öffentlicher Fernsprechwählnetz - Funknetze (Wireless LAN) - ARPANET als Vorgänger des Internets - Internet - Lokale Netze -... Durch das Internet und durch mobile Netze erhöht sich der Grad der Vernetzung immens Prof. Dr. Peter Mandl Seite 26

27 Verteilte Kommunikation zwischen Prozessen/Threads Prozesse/Threads verschiedener Rechner kommunizieren Betriebssystem stellt Kommunikationssystem bereit Netzzugang erforderlich Prozess 1 Prozess 2 Thread 2 Einbettung ins Betriebssystem (Treiber) Thread 1 Log. Kommunikation Aufruf von Kommunikationsdiensten Thread 1 Betriebssystem 1 Betriebssystem 2 Hardware (Netzwerkadapter) Netzzugang Kommunikationssystem Kommunikationssystem Netzzugang Netzwerk Prof. Dr. Peter Mandl Seite 27

28 ISO/OSI-Referenzmodell: Protokolle und Dienste Sender Empfänger 7 Verarbeitung Verarbeitungsprotokoll Verarbeitung 6 Darstellung Darstellungsprotokoll Darstellung Sitzungsprotokoll 5 Sitzung Sitzung 4 Transport Transportprotokoll Transport 3 Vermittlung Vermittlung Vermittlung Vermittlung 2 Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung 1 Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Endsystem Transitsystem Endsystem Prof. Dr. Peter Mandl Seite 28

29 TCP-Referenzmodell 7 Verarbeitung z.b. ftp, telnet, SNMP,http,... Verarbeitung 6 leer leer 5 leer leer 4 Transport TCP und UDP Transport 3 Internet IP, ARP, RARP,... Internet 2 1 Host an Netz nicht festgelegt Host an Netz Prof. Dr. Peter Mandl Seite 29

30 Protokolle SMTP DNS Nutzdaten HTTP Anwendung Header Nutzdaten Anwendungs-PDU TCP/UDP Header Anwendung Header Nutzdaten Transport-PDU IP Header TCP/UDP Header Anwendung Header Nutzdaten IP-PDU PDU = Protocol Data Unit Protokolle sind über Regeln definiert Kommunizierende Automaten Prof. Dr. Peter Mandl Seite 30

31 Kommunikation am Beispiel des HTTP-Protokolls Verbindungsorientiert, nachrichtenbasiert WWW- Browser Kommunikationspartner TCP-Verbindungsaufbau (Connection-Request/Response) WWW- Server HTTP-Request HTTP-Response TCP-Verbindungsabbau (außer bei persistenten Connections) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 31

32 Zusammenfassung 1. Einführung in die Grundbegriffe der Kommunikation 2. Lokale Kommunikation 3. Verteilte Kommunikation mehr dazu in den Folgesemestern (Datenkommunikation, verteilte Systeme) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 32

33 Gesamtüberblick Einführung in Computersysteme Entwicklung von Betriebssystemen Architekturansätze Interruptverarbeitung in Betriebssystemen Prozesse und Threads CPU-Scheduling Synchronisation und Kommunikation 8. Speicherverwaltung 9. Geräte- und Dateiverwaltung 10.Betriebssystemvirtualisierung Prof. Dr. Peter Mandl Seite 33