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Interprozesskommunikation (IPC)

• Mechanismen und Techniken, die es Prozessen ermöglichen miteinander zu kommunizieren
  • auf demselben Computer / über ein Netzwerk hinweg
• Ist grundsätzlich wichtig, wenn Prozesse
  • zusammenarbeiten
  • Daten austauschen
  • miteinander interagieren
• Wahl der Methodik hängt von Anforderung der Anwendung ab
  • Effizienz
  • Datenvolumen
  • Sicherheit
  • Komplexität

Synchrone IPC

• Prozess, bei dem der Absender eines Signals/Nachricht auf eine Bestätigung oder eine Antwort vom Empfänger wartet
  • stellt sicher, dass
    • Absender und Empfänger synchronisiert sind
    • Ereignisse/Aufgaben sind abgeschlossen bevor andere anfangen
• 

Asynchrone IPC

• Prozesse, bei dem der Absender nicht auf sofortige Antwort wartet
  • Absender setzt Ausführung fort, während Empfänger verarbeitet und ggf. später antwortet
• 

Mechanismen

• Shared Memory
• Dateien
• Message Queues
• Pipes
• Promises (Futures)
• Sockets
• Semaphoren
• Mutexe
• Condition Variables
• Remote Procedure Call (RPC)

Shared Memory

• ermöglicht mehreren Prozessen auf denselben physischen Speicherbereich zuzugreifen
  • Austausch von Daten effizient ohne explizite Kommunikation
  • Speicherbereich wird im RAM erstellt
    • Kann von beteiligten Systemen gelesen und beschrieben werden
      • müssen sich selbst koordinieren

Linux-Systemaufrufe Shared Memory

• shmget - Segment erzeugen oder auf bestehendes Zugreifen
• shmat - Segment an anderen Prozess anhängen
• shmdt - Segment von Prozess lösen/freigeben
• shmctl - Status eines Segments abfragen/ändern/löschen

Dateien

• Prozesse können auf gemeinsame Dateien zugreifen
  • Zugriff kann langsamer als andere IPC-Mechanismen sein
• Darauf muss man achten:
  • Zugriffsrechte korrekt setzen um Sicherheit zu gewährleisten
  • geeignete Synchronisationsmechanismen nutzen

Message Queues

• besonders nützlich, wenn strukturierte Daten zwischen Prozessen ausgetauscht werden
  • Struktur muss zwischen Prozessen vereinbart werden
  • Verwendung von Semaphoren kann erforderlich sein, damit Zugriff auf Queue ordnungsgemäß funktioniert

Linux-Systemaufrufe Message Queues

• msgget - MQ erzeugen / auf bestehende zugreifen
• msgsnd - Nachricht in MQ schicken
• msgrcv - Nachricht aus MQ empfangen
• msgctl - Status einer MQ abfragen/ändern/löschen

Pipes

• ermöglichen, dass Output eines Prozesses direkt als Input eines anderen Prozesses dient
• sind unidirektional
  • gibt Möglichkeiten 2 Pipes zu erstellen → bidirektionale Kommunikation
• haben begrenzte Puffergröße
  • zu viele Daten in der Pipe
    • blockieren des Schreibprozesses
• arbeiten nach FIFO Prinzip (First In First Out)

Erstellung von Pipes mit POSIX API

• pipe - Pipe mit zwei Endpunkten erzeugen

• popen - Prozess starten (benutzt fork) und Pipe zum Prozess öffnen

• pclose - Mit popen geöffnete Pipe schließen

• mkfifo - Named Pipe erzeugen

• open - Named Pipe öffnen

• close - (Named) Pipe schließen

• read - aus (Named) Pipe lesen

• write - in (Named) Pipe schreiben

Pipes in der Shell

• werden verwendet um 2 oder mehr Befehle zu kombinieren

  • Ausgabe eines Befehls fungiert als Eingabe für anderen Befehl
    • Ausgabe dessen = Eingabe für den nächsten ...

• Kann temporäre Verbindung zwischen 2 oder mehr Befehlen/Programmen/Prozessen sein

  • Filter
    • Kommandozeilenprogramme, die weitere Verarbeitung übernehmen

• "I" - anonyme Pipe

  • bspw. ps ax | less

• ">" - benannte Pipe

  • bspw. mkfifo myPipe ls > myPipe

Promises (Futures)

• Konzept für asynchrone Programmierung
  • Programm wartet auf Ergebnis/Rückmeldung einer asynchronen Operation
    • blockiert dabei NICHT Haupt-Thread
• Wird oft verwendet in
  • JavaScript, Python, Frameworks wie Javas CompletableFuture
• 

Sockets

• Verwendung geeignet, wenn
  • Kommunikation zwischen verschiedenen Rechnern erforderlich ist
  • verbindungsorientierte Kommunikation (bspw. TCP) erwünscht ist
• Falls über Internet
  • Sicherheitsaspekte müssen berücksichtigt werden
    • bspw. Verschlüsselung

Erstellung von Sockets mit POSIX API

• socket - Socket erzeugen

• socketpair - Zwei Sockets erzeugen, ähnlich pipe

• read, recv - Aus Socket lesen

• write, send - In Socket schreiben

• close - Socket schließen

• select - warten auf Socketaktivität

• poll - warten auf Socketaktivität

• send und recv können beliebig lange dauern

  • können Prozesse/Threads blockieren

  → Einsetzen von select

  • Dient als Multiplexer für mehrere Sockets (File-Descriptors: fdts)

Condition Variables

• Dienen Synchronisation von Threads in einem Multithreading-Kontext
  • Threads werden informiert, dass Bedingung erfüllt / Ressource verfügbar ist
• Normalerweise auf Threads innerhalb desselben Prozesses beschränkt
  • nicht direkt für IPC zwischen verschiedenen Prozessen nutzbar

Remote Procedure Call (RPC)

• Programm kann Funktion/Prozedur auf einem entfernten Rechner/Adressraum ausführen, als wäre sie lokal vorhanden
• abstrahiert Netzwerkkommunikation
  • ermöglicht Entwicklern sich auf Logik ihrer eigenen Anwendungen zu konzentrieren
• Verschiedene Implementierungen von TPC existieren für verschiedene Plattformen / Programmiersprachen