B.5.3. Interprozesskommunikationen

Ein einzelner Prozess, ob ein Daemon oder eine interaktive Anwendung, ist selten für sich genommen nützlich. Daher gibt es verschiedene Methoden, um getrennten Prozessen die Kommunikation miteinander zu ermöglichen, entweder um Daten auszutauschen oder um sich gegenseitig zu steuern. Die allgemeine Bezeichnung hierfür lautet Interprozesskommunikation oder abgekürzt IPC.

Das einfachste IPC-System besteht darin, Dateien zu verwenden. Der Prozess, der Daten übersenden möchte, schreibt sie in eine Datei (mit einem zuvor bekannten Namen), während der Empfänger nur die Datei zu öffnen und den Inhalt zu lesen braucht.

In den Fällen, in denen man keine Daten auf einer Platte speichern möchte, kann man eine Pipe benutzen, die einfach ein Objekt mit zwei Enden ist; Bytes, die am einen Ende geschrieben werden, können am anderen gelesen werden. Wenn diese Enden von verschiedenen Prozessen kontrolliert werden, führt dies zu einem einfachen und praktischen Interprozesskommunikationskanal. Pipes können in zwei Arten unterschieden werden: benannte Pipes und anonyme Pipes. Eine benannte Pipe wird durch einen Eintrag im Dateisystem dargestellt (obwohl die übermittelten Daten dort nicht gespeichert sind), so dass beide Prozesse sie unabhängig voneinander öffnen können, falls der Ort der benannten Pipe vorab bekannt ist. In Fällen, in denen die Kommunikationsprozesse in Zusammenhang miteinander stehen (zum Beispiel ein Eltern- und sein Kindprozess), kann der Elternprozess auch eine anonyme Pipe erstellen, bevor er sich vervielfältigt, und der Kindprozess übernimmt sie dann. Beide Prozesse können sodann durch diese Pipe Daten miteinander austauschen, ohne das Dateisystem zu benötigen.

IN DER PRAXIS Ein konkretes Beispiel

Lassen Sie uns beschreiben, was geschieht, wenn ein komplexer Befehl (eine Pipeline) von einer Konsole aus ausgeführt wird. Wir nehmen an, dass wir einen bash-Prozess haben (die standardmäßige Benutzerkonsole bei Debian) mit der PID 4374; in diese Konsole schreiben wir den Befehl: ls | sort.

Die Konsole interpretiert zunächst den eingegebenen Befehl. In unserem Fall versteht sie, dass es zwei Programme gibt (ls und sort) mit einem Datenstrom, der vom einen zum anderen fließt (gekennzeichnet durch das |-Zeichen, das als Pipe bezeichnet wird). bash erstellt zunächst eine anonyme Pipe (die anfangs nur innerhalb des bash-Prozesses selbst besteht).

Dann vervielfältigt sich die Konsole; dies führt zu einem neuen bash-Prozess mit der PID 4521 (PIDs sind abstrakte Zahlen und haben im Allgemeinen keine besondere Bedeutung). Prozess 4521 übernimmt die Pipe, was bedeutet, das er auf ihrer „Eingabe“-Seite schreiben kann; bash leitet seinen Standardausgabestrom auf die Eingabe dieser Pipe um. Dann führt es das Programm ls aus, das den Inhalt des aktuellen Verzeichnisses auflistet (und ersetzt sich selbst durch dieses Programm). Da ls auf seine Standardausgabe schreibt und diese Ausgabe zuvor umgeleitet wurde, werden die Ergebnisse im Endeffekt in die Pipe geschickt.

Ein ähnlicher Vorgang findet beim zweiten Befehl statt: bash vervielfältigt sich wieder, was zu einem neuen bash-Prozess mit der PID 4522 führt. Da er ebenfalls ein Kindprozess von 4374 ist, übernimmt er auch die Pipe; bash verbindet dann seine Standardeingabe mit der Pipeausgabe und führt danach den Befehl sort aus, der seine Eingabe sortiert und die Ergebnisse anzeigt (und ersetzt sich selbst durch diesen Befehl).

Alle Teile des Puzzles stehen nun bereit: ls schreibt die Liste der Dateien des aktuellen Verzeichnisses in die Pipe; sort liest diese Liste, sortiert sie alphabetisch und zeigt die Ergebnisse an. Die Prozesse 4521 und 4522 enden dann, und 4374 (der während des Vorgangs auf sie gewartet hatte) übernimmt wieder die Kontrolle und zeigt die Eingabeaufforderung an, die es dem Benutzer ermöglicht, einen neuen Befehl einzugeben.

Jedoch werden nicht alle Interprozesskommunikationen zur Übermittlung von Daten benutzt. In vielen Situationen bestehen die einzigen Informationen, die übertragen werden müssen, aus Steuerungsmitteilungen wie „Ausführung anhalten“ oder „Ausführung fortsetzen“. Unix (und Linux) stellen einen Mechanismus bereit, der Signale genannt wird, durch den ein Prozess einfach ein Signal (aus einer festgelegten Liste mit Dutzenden vordefinierter Signale) an einen anderen Prozess senden kann. Die einzige Voraussetzung besteht hierbei darin, dass die PID des Zielprozesses bekannt ist.

Für komplexere Kommunikationen gibt es ebenfalls Mechanismen, die es einem Prozess ermöglichen, einem anderen Prozess Zugriff auf einen Teil des ihm zugeteilten Speicherplatzes zu gewähren oder ihn gemeinsam mit ihm zu benutzen. Der gemeinsam benutzte Speicherplatz ermöglicht es dann, Daten zu übermitteln.

Schließlich können auch Netzwerkverbindungen Prozessen helfen, miteinander zu kommunizieren; diese Prozesse können sogar auf verschiedenen Rechnern laufen, möglicherweise tausende von Kilometern voneinander entfernt.

Es ist für ein typisches Unix-artiges System recht normal, all diese Mechanismen in wechselndem Umfang zu verwenden.