Парадигма (шаблон) взаимодействия процессов: производитель – потребитель

Реализация взаимодействия процессов может быть основана на одной из классических парадигм (шаблонов), сложившейся за десятилетия развития программирования. В данном разделе рассмотрим одну из наиболее распространенных из парадигм взаимодействия процессов - производитель –потребитель: процесс-производитель (producer) генерирует в некотором буфере информацию, которая используется процессом-потребителем (consumer).
При реализации данной парадигмы возможны схемы с неограниченным и ограниченным буфером, используемым для связи двух процессов.
Схема с неограниченным буфером (unbounded buffer)подразумевает, что на размер используемого буфера теоретически нет ограничений. Схема с ограниченным буфером (bounded buffer)предполагается определенное ограничение размера буфера, например, константой BUFFER_SIZE. При реализации следует учесть, что схема с ограниченным буфером, с точки зрения принципов надежных и безопасных вычислений (trustworthy computing, см. "Понятие операционной системы (ОС), цели ее работы. Классификация компьютерных систем"), представляет опасность атаки "переполнение буфера"(buffer overrun)– ошибочного или преднамеренного превышения размера буфера. Чтобы избежать этой уязвимости, при заполнении буфера необходимо проверять его размер.
Реализуем ограниченный буфер следующим образом. Информация хранится в массиве с двумя указателями: in - для считывания и использования очередного элемента информации процессом-потребителем и out - для записи очередного сгенерированного элемента информации процессом-производителем. При считывании из буфера очередной элемент удаляется, и указатель in, соответственно, продвигается. При записи в буфер продвигается указатель out. Для удобства будем считать буфер циклическим, т.е. при его заполнении следующим заполняемым элементом будет нулевой (если он освободился), следующим после него – первый и т.д. Таким образом, процесс-производитель должен вычислять индекс в буфере, по которому он записывает следующий элемент, по формуле (out + 1) % BUFFER_SIZE, где "%" операция взятия остатка от деления. Аналогично, процесс-потребитель должен вычислять индекс следующего элемента информации в буфере по формуле (in + 1) % BUFFER_SIZE. Учтем также две возможных ситуации: переполнение буфера(при генерации производителем числа элементов, большего длины буфера) и исчерпание буфера(в случае, если потребитель взял из буфера последний на данный момент сгенерированный элемент). Чтобы избежать обращения за границы буфера, при переполнении буфера производитель должен будет ждать, пока в буфере не освободится хотя бы один элемент, а при исчерпании буфера должен будет ждать потребитель, пока хотя бы один новый элемент не появится в буфере.
Реализация представления буфера на языке Си может иметь вид:
#define BUFFER_SIZE 1000 /* или другое конкретное значение */
typedef struct {
. . .
} item;
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;
Реализация схемы алгоритма процесса-производителя имеет вид:
item nextProduced; /* следующий генерируемый элемент */
while (1) { /* бесконечный цикл */
while (((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out)
; /* ждать, пока буфер переполнен */
buffer[in] = nextProduced; /* генерация элемента */
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}
Соответственно, реализация процесса-потребителя будет иметь вид:
item nextConsumed; /* следующий используемый элемент */
while (1) { /* бесконечный цикл */
while (in == out)
; /* ждать, пока буфер пуст */
nextConsumed = buffer[out]; /* использование элемента */
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
}
Данный код может быть использован как шаблон (pattern) для реализации схемы производитель – потребитель в любой системе.