Hệ Điều HànhCơ Chế Liên Lạc Tiến Trình

Hệ Điều HànhCơ Chế Liên Lạc Tiến Trình Tiến trình là thể hiện (instance) của một chương trình máy tính trong bộ nhớ, đang thực thi hoặc chờ thực thi.Một chương trình có thể có vài tiến trình trong bộ nhớMột tiến trình gồm:Mã nguồn chương trình (code)Dữ liệu (data)Bộ đếm chương trình (program counter)Ngăn xếp (stack)Giá trị ở các thanh ghi (register values)Các tiến trình muốn trao đổi dữ liệu với nhau cần sử dụng các cơ chế giao tiếp tiến trình

Giảng Viên: L……….

 Nhóm …:

 ……….

 ……….

 ……….

 ……….

 ……….

 Chủ đề:

1 Các cơ chế liên lạc của tiến trình

 Sinh viên thực hiện :

• ……….(Vùng nhớ chia sẻ, Trao đổi thông điệp, Sockets)

• ………(Vùng nhớ chia sẻ, Đường ống)

• ………(Tín hiệu, Trao đổi thông điệp)

2 Xây dựng ứng dụng quản lí máy tính

 Sinh viên thực hiện:

• ………

• ………

 Tiến trình là thể hiện (instance) của một chương trình máy tính trong bộ nhớ, đang thực thi hoặc chờ thực thi.

 Một chương trình có thể có vài tiến trình trong bộ nhớ

• Giá trị ở các thanh ghi (register values)

 Các tiến trình muốn trao đổi dữ liệu với nhau cần sử dụng các cơ chế giao tiếp tiến trình

Tiến Trình:

Các cơ chế liên lạc

Vùng nhớ chia sẻ

Vùng nhớ chia sẻ

Trao đổi thông điệp

Trao đổi thông điệp

1.0 Signal(Tín Hiệu):

 Khái niệm :

 Tín hiệu là một cơ chế phần mềm tương tự như các ngắt cứng tác động đến các tiến trình

 Một tín hiệu được sử dụng để thông báo cho tiến trình về một sự kiện nào đó xảy ra

 Có nhiều tín hiệu được định nghĩa, mỗi một tín hiệu có một ý nghĩa tương ứng với một sự kiện đặc trưng

 Ví dụ: Một số tín hiệu của UNIX

SIGINT Người dùng nhấn phím DEL để ngắt xử lý tiến trình

SIGILL Tiến trình xử lí một chỉ thị bất hợp lệ

1.0 Signal(Tín Hiệu):

 Mỗi tiến trình sở hữu một bảng biễu diễn các tín hiệu khác nhau

 Với mỗi tín hiệu sẽ có tương ứng một trình xử lý tín hiệu (signal handler) qui định các xử lý của tiến trình khi nhận được tín hiệu tương ứng. 

  Liên lạc bằng tín hiệu mang tính chất không đồng bộ, nghĩa là một tiến trình nhận tín hiệu không thể xác định trước thời điểm nhận tính hiệu  

 Các tiến trình không thể kiểm tra được sự kiện tương ứng với tín hiệu có thật sự xảy ra.

 Các tiến trình chỉ có thể thông báo cho nhau về một biến cố nào đó, mà không trao đổi dữ liệu theo cơ chế này được

2.0 Pipe( Đường ống):

 Đường ống là cách để đưa đầu ra của một chương trình thành dữ liệu đầu vào của một chương trình khác mà không cần qua một file trung gian.

 Đường ống thực chất là một vùng bộ nhớ tạm thời, nơi lưu trữ đầu ra của một lệnh và sau đó chuyển chúng cho đầu vào của lệnh thứ hai

• Lệnh_1 | Lệnh_2

• ls | sort

• ls | sort | less

2.0 Pipe( Đường ống):

 Định hướng lại các thiết bị đầu vào/ra chuẩn :

 Hầu hết tất cả các lệnh hiển thị kết quả đầu ra ra màn hình, và lấy dữ liệu đầu vào từ bàn phím

 Có thể gửi kết quả đầu ra ra file cũng như đọc đầu vào từ file bằng cách sử dụng định hướng lại (redirect)  

 Ghi kết quả của 1 lệnh ra 1 file (thay vì màn hình)

 Lệnh > tên_file_đầu_ra  

 ls > danh_sach_file

 Định hướng đầu vào: Lệnh < tên_file_đầu_vào

 cat < a.txt  

 sort < a.txt > a.sorted.txt  

 tr “[a-z]” “[A-Z]” < a.txt > b.txt

Có hai loại Pipe:

 Unnamed Pipe: chỉ giới hạn trong không gian phạm vi địa chỉ của một quá trình, cho phép giao tiếp giữa quá trình cha với các quá trình con

hay giữa các quá trình con của một quá trình với nhau Trong đó các quá trình con được thay thế bởi các luồng

 Named pipe (còn gọi là FIFO): loại này cho phép hai quá trình có không gian địa chỉ khác nhau (trên cung một máy) giao tiếp với nhau Thực

chất nó giống như một tập tin với quy định rằng dữ liệu sẽ được lấy ra ở đầu tập tin và thêm vào ở cuối tập tin

2.0 Pipe( Đường ống):

2.0 Pipe( Đường ống):

 Đường ống Pipe giao tiếp trao đổi dữ liệu một chiều:

 Hàm pipe() dùng để tạo đường ống có khả năng đọc/ghi

#include <unistd.h>

int pipe ( int filedes[2])

 Phần tử thứ nhất của mảng được dùng để đọc trong khi phần tử thứ hai được dùng để ghi

 Tương đương với việc sử dụng hai đường ống một chiều

 Cả hai tiến trình cha và con đều có thể đọc và ghi dữ liệu vào đường ống

2.0 Pipe( Đường ống):

 Tuy nhiên cũng rất dễ gây ra tình trạng tắc nghẽn

 Hàm read() đọc dữ liệu từ Pipe

 Hàm write() dùng để ghi dữ liệu vào trong đường ống

 Cơ chế : nếu đường ống rỗng hàm sẽ khóa trong trạng thái chờ (block) cho đến khi dữ liệu được đổ vào đường ống hay khi đường ống bị đóng lại bởi phía bên ghi

3.0 Shared Memory(Vùng nhớ chia sẻ):

Giới thiệu: Cách tiếp cận của cơ chế này là cho nhiều tiến trình cùng truy xuất đến một vùng nhớ  

chung gọi là vùng nhớ chia sẻ(shared memory).

 Dữ liệu chỉ đơn giản được đặt vào một vùng nhớ mà nhiều tiến trình có thể cùng truy cập được.

 Các tiến trình chia sẻ một vùng nhớ vật lý thông qua trung gian không gian địa chỉ của chúng.

 Vùng nhớ chia sẻ :

 Một phần không gian nhớ không thuộc sở hữu của tiến trình nào

 Được HĐH tạo ra

 Các tiến trình có thể ánh xạ địa chỉ vào không gian chia sẻ này để truy xuất dữ liệu (như đối với không gian nội bộ)

 Dữ liệu được đặt vào một vùng đệm (buffer) được dùng để chia sẻ dữ liệu giữa các tiến trình:

 Kích thước không giới hạn (unbounded buffer): tiến trình đọc có thể chờ, tiến trình ghi không bao giờ chờ.

 Kích thước có giới hạn (bounded buffer): cả tiến trình đọc và ghi có thể chờ

3.0 Shared Memory(Vùng nhớ chia sẻ):

Ưu Điểm Nhược Điểm

 Không giới hạn số lượng tiến trình, chiều trao đổi, và thứ

tự truy cập

 Nhanh, đơn giản để trao đổi dữ liệu giữa các tiến trình

 Khó bảo đảm sự toàn vẹn dữ liệu

 Không thể áp dụng hiệu quả trong hệ phân tán

 Nhận xét :

3.0 Shared Memory(Vùng nhớ chia sẻ):

 Giới thiệu: Hệ điều hành cung cấp một cơ chế liên lạc giữa các tiến trình thông qua việc gửi thông điệp  

 Để hỗ trợ cơ chế liên lạc bằng thông điệp, hệ điều hành cung cấp các hàm IPC chuẩn (Interprocess communication), cơ bản là hai hàm:

 Send(message) : gửi một thông điệp 

 Receive(message) : nhận một thông điệp 

4.0 Message Passing(Trao đổi thông điệp):

 Giao tiếp giữa các tiến trình không cần dùng bộ nhớ chia sẻ

⇒hữu ích trong môi trường phân tán, giao tiếp qua mạng

4.0 Message Passing(Trao đổi thông điệp):

 Truyền thông điệp:

 Tiến trình P và Q muốn giao tiếp với nhau:

 Tạo một nối kết giao tiếp (communication link)

 Trao đổi thông điệp thông qua send/receive

 Kết thúc trao đổi liên kết giao tiếp bị hủy bỏ

 Phương thức cài đặt nối kết giao tiếp:

 Giao tiếp trực tiếp hay gián tiếp

 Đồng bộ hay bất đồng bộ

 Kích thước thông điệp cố định hay biến đổi

4.1 Giao tiếp trực tiếp(Direct Communication):

 Các quá trình phải được đặt tên rõ ràng:

 Send(P, msg): gởi thông điệp tới quá trình P

 Receive(Q, msg): nhận thông điệp từ quá trình Q

 Các thuộc tính của nối kết giao tiếp:

 Các nối kết được thiết lập tự động

 Một nối kết kết hợp với chính xác một cặp quá trình

 Giữa mỗi cặp quá trình tồn tại chính xác một nối kết

 Nối kết có thể một hướng, nhưng thường là hai hướng

4.2 Giao tiếp gián tiếp(Indirect Communication):

 Các thông điệp được gửi và nhận thông qua mailbox hay port

 Mỗi mailbox có một định danh (id) duy nhất

 Các quá trình chỉ có thể giao tiếp nếu chúng dùng chung mailbox

• Send (A, msg): gửi thông điệp tới hộp thư A

• Receive(A, msg):nhận thông điệp từ hộp thư A

 Các thuộc tính của nối kết gián tiếp:

 Nối kết chỉ được thiết lập nếu các quá trình chia sẻ cùng 1 hộp thư

 Một nối kết có thể kết hợp với nhiều quá trình.

 Mỗi cặp tiến trình có thể dùng chung nhiều nối kết giao tiếp.

 Nối kết có thể một hướng hay hai hướng.

4.2 Giao tiếp gián tiếp(Indirect Communication):

 Các tác vụ cơ bản trong giao tiếp gián tiếp:

 Tạo mailbox mới

 Gửi và nhận thông điệp qua mailbox

 Xóa mailbox

 Chia sẻ mailbox:

 Các tiến trình có thể chia sẻ cùng 1 mailbox

⇒Vấn đề: nếu 1 tiến trình gửi thì tiến trình nào sẽ nhận?

 Giải pháp:

• Một liên kết chỉ tương ứng với 2 tiến trình

• Chỉ cho phép 1 tiến trình thực hiện thao tác nhận tại 1 thời điểm

• HĐH chỉ định tiến trình nhận (1 tiến trình), và thông báo cho tiến trinh gửi biết người nhận

4.3 Đồng bộ hóa (Synchronisation)

 Giao tiếp giữa hai quá trình xảy ra bởi lời gọi hàm cơ sở send và receive.

 Truyền thông điệp có thể chặn (blocking) hay không chặn (non-blocking)

(cũng được xem như đồng bộ và bất đồng bộ.)

 Blocking được xem là đồng bộ (synchronous):

 Blocking send: tiến trình gửi chờ cho đến khi thông điệp được nhận.

 Blocking receive : tiến trình nhận chờ cho đến khi thông điệp sẵn sàng

 Non-blocking được xem là bất đồng bộ (asynchronous):

 Non-blocking send: gửi thông điệp và tiếp tục thực hiện công việc khác.

 Non-blocking receive: nhận một thông điệp hay rỗng.

4.4 Vùng đệm (buffering)

 Dù giao tiếp có thể là trực tiếp hay gián tiếp, các thông điệp trao đổi giữa các tiến trình được lưu trong hàng đợi tạm thời

 Về cơ bản, một hàng đợi như thế có thể được cài đặt theo ba cách:

Sức chứa không giới hạn

Hàng đợi có chiều dài tối đa là 0; Do đó,

liên kết không thể có bất kỳ thông điệp

nào chờ trong nó

Hàng đợi có chiều dài giới hạn n; Do đó, nhiều nhất n thông điệp có thể thường trú trong nó Tiến trình gửi bị chặn khi

vùng đệm bị đầy

Hàng đợi có chiều dài không giới hạn; Do đó

số lượng thông điệp bất

kỳ có thể chờ trong nó Tiến trình gửi không

bao giờ bị chặn.

5.0 Sockets:

 Socket là một giao diện lập trình ứng dụng mạng.

 Lập trình socket là cách lập trình cho phép chúng ta kết nối các máy tính truyền tải 

và nhận dữ liệu từ máy tính thông qua mạng

 Socket cho phép thiết lập các kênh giao tiếp mà hai đầu kênh được đánh dấu bởi hai cổng (port) Thông qua các cổng này một quá

trình có thể nhận và gửi dữ liệu với các quá trình khác

5.0 Sockets:

 So sánh sự khác biệt giữa hai chế độ giao tiếp TCP - UDP

• Tồn tại kênh giao tiếp ảo giữa hai bên giao tiếp.

• Dữ liệu được gởi đi theo chế độ bảo đảm: có kiểm tra lỗi truyền lại gói tin

lỗi hay mất, bảo đảm thứ tự đến của các gói tin  

• Dữ liệu chính xác, Tốc độ truyền chậm.

• Không tồn tại kênh giao tiếp ảo giữa hai bên giao tiếp

• Dữ liệu được gởi đi theo chế độ không bảo đảm: Không kiểm tra lỗi, không phát hiện không truyền lại gói tin bị lỗi hay mất, không bảo đảm thứ tự đến của các gói tin

• Dữ liệu không chính xác, tốc độ truyền nhanh.

• Thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ, không cần chính xác cao: truyền

âm thanh, hình ảnh

5.1 UDP Socket:

 Socket phi kết nối UDP cho phép gửi các thông điệp mà không cần phải thiết lập kết nối trước.

Một phương thức đọc sẽ đọc toàn bộ thông điệp được gửi bởi một phương thức gửi

 Tuy nhiên, giao thức UDP không đảm bảo dữ liệu được truyền tới đích.

 Chương trinh phía Server:

 Tạo một Socket

 Liên kết với 1 IPEndPoint cục bộ

 Gửi nhận dữ liệu theo giao thức đã thiết kế

5.1 UDP Socket:

 Mô hình ứng dụng Client – Server :

UDP Client UDP Server

Recvfrom()

Sento()

Bind()Sento()

Socket() Socket()

Close()Close()

Recvfrom()

data(request) data(reply)

Server yêu cầu tạo socket

Server yêu cầu gán số hiệu cổng cho socket

Client yêu cầu tạo socket

Trao đổi thông tin giữa

Client và Server

5.1 UDP Socket:

 Ví dụ minh họa giao thức UDP: Chương trình gửi và nhận thông điệp

// tạo một đối tượng MyUdpClient và lắng nghe port 2008

UdpClient udp = new UdpClient(2008);

// thực hiện nghe liên tục

while (true)

{

//xác định điểm Remote IP

IPEndPoint RemoteIPEndPoint = new IPEndPoint (IPAddress.Any, 0);

// thu lấy thông tin từ client dạng byte

Byte[] data = udp.Receive(ref RemoteIPEndPoint);

// tạo một UDP Object và kết nối với máy chủ

UdpClient udp = new UdpClient();

udp.Connect(_host, _port);

// khai báo isConnect kiểu bool là true

bool isConnect = true;

Kích thước dữ liệu nhỏ và trình tự không quan trọng

Không gửi các dữ liệu quan trọng

Không cần truyền lại các gói tin

Băng thông của mạng tốt

5.1 UDP Socket:

1 2 3 4

UDP

Socket

UDP

Socket

5.2 TCP Socket:

 Giao thức TCP là giao thức truyền tin hướng liên kết có thể sử dụng truyền tin với độ tin cậy cao

 Khi được chạy, server cần được xác định rõ địa chỉ IP và sẽ “lắng nghe” trên một port cụ thể

 Server sẽ nằm trong trạng thái này cho đến khi Client gửi đến một yêu cầu kết nối.

 Sau khi được server chấp nhận, một connection sẽ hình thành cho phép server và client giao tiếp với nhau.

 Socket(): Server yêu cầu tạo một Socket

 Bind(): Server yêu cầu gắn số hiệu port cho Socket

 Listen(): Server lắng nghe các yêu cầu kết nối từ các Client trên cổng đã được gán

 Server sẵn sàng phục vụ Client

5.2 TCP Socket:

listen()

socket()bind()

 Socket(): Client yêu cầu tạo một Socket

 Connect(): Client gửi yêu cầu kết nối đến Server có địa chỉ IP và port

xác định

 Accept(): Server chấp nhận kết nối của Client, kênh giao tiếp ảo được

hình thành, Client và Server có thể truyền thông tin với nhau

5.2 TCP Socket:

Server Client

write() read()

accept() write()

read()

request

reply

 Sau khi chấp nhận yêu cầu kết nối, Server thực hiện lệnh Read() và

chờ cho đến khi có thông điệp yêu cầu từ Client

 Server phân tích và thực thi yêu cầu Kết quả sẽ trả về Client bằng

lệnh Wrire()

 Sau khi gửi yêu cầu bằng lệnh Write(), Client chờ nhận thông điệp kết quả từ Server bằng lệnh Read()

5.2 TCP Socket:

Server Client

write() read()

accept() write() request

5.2 TCP Socket:

listen()

socket()bind()

reply

read()

close() close()

5.2 TCP Socket:

 Chương trình phía Server:

 Tạo một Socket

 Gắn Socket với một địa chỉ cụ thể (binding)

 Đặt Socket ở trạng thái lắng nghe kết nối tới từ Client

5.2 TCP Socket:

 Gửi và nhận thông điệp dạng Byte[ ]

 Lớp NetworkStream và Socket cung cấp các phương thức gửi và nhận dữ liệu dạng mảng byte. 

 Vì vậy cần phải thực hiện các bước chuyển đổi dữ liệu sang dạng byte và ngược lại

 Ví dụ: Chương trình gửi nhận dữ liệu sử dụng TCPListener, Socket (phía server) và TCPClient, NetworkStream (phía client) dạng mảng byte 

 Ở đây ta sử dụng dữ liệu dạng văn bản ASCII trong console, và dùng các lớp trong namespace System.Text để chuyển đổi bằng cách tạo đối tượng có kiểu ASCIIEncoding

5.2 TCP Socket:

private const int BUFFER_SIZE=1024;

private const int PORT_NUMBER=9540;

static ASCIIEncoding encoding=new ASCIIEncoding();

public static void Main() {

try {

IPAddress address = IPAddress.Parse(" 127.0.0.1 ");

TcpListener listener =newTcpListener(address,PORT_NUMBER);

// listen

listener.Start();

Console.WriteLine(“ TCPServer started on “ + listener.LocalEndpoint);

Console.WriteLine(" Waiting for a connection ");

Console.WriteLine(" Error: " + ex);

} Console.Read();

Server.cs

5.2 TCP Socket:

Client.cs

private const int BUFFER_SIZE=1024;

private const int PORT_NUMBER=9540;

static ASCIIEncoding encoding= new ASCIIEncoding();

public static void Main() {

try {

TcpClient client = new TcpClient();

//connect

client.Connect(“ 127.0.0.1 ",PORT_NUMBER);

Stream stream = client.GetStream();

Console.WriteLine(" Connected to TCPServer ");

Console.Write(“ Enter a username: ");

Console.WriteLine(" Error: " + ex);

} Console.Read();

5.2 TCP Socket:

 Chạy Server trước, cửa sổ console của Server sẽ hiển thị:

 Sau đó chạy Client, nếu kết nối thành công, Server sẽ hiển thị:

5.2 TCP Socket:

 Chuyển qua cửa sổ console của Client và nhập username Nếu nhận được dữ liệu, server sẽ gửi trả lại message: “Hello [UserName]”

 Ngay sau bước này, cả server và client đều thực hiện đóng kết nối.

5.2 TCP Socket:

 Gửi và nhận thông điệp dạng StreamReader và StreamWriter

 StreamReader: Được sử dụng để đọc các ký tự từ một stream

 StreamWriter: Được sử dụng để ghi các ký tự tới một stream

 Các đối tượng StreamReader và StreamWriter có thể được khởi tạo trực tiếp từ NetworkStream

 Ví dụ: chương trình gửi và nhận thông điệp dạng StreamReader và StreamWriter

 Sử dụng vòng lặp while để thực hiện gửi nhận dữ liệu liên tục giữa server/client

 Nếu chuỗi nhập vào là EXIT thì dừng chương trình