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1.3 消息传递与共享内存
到目前为止，我们关于协议（protocol）的讨论都基于一个假设：信息是在不同计算机的对等体之间传输。这类交换（传输）被称为“消息传递”。如果通信实体可以访问一块共享内存，就会导致另一种不同的信息交换方式。本节将讲述这两种机制，以及它们的利弊。
消息传递（message passing）明确地通过IPC机制来交换字节流（bytestream）和“面向记录（record-oriented）”的数据；关于IPC机制，我们将在第2章讲述。通常，应用程序开发者得定义这些信息的格式和内容，以及应用协议；参与者必须遵守这一协议，以交换信息。这一协议还定义了每个交换中可能的参与者的数量（例如，“点对点”（单播）、多播，或广播），以及参与者如何启动、管理和终止“消息传递”会话。
“消息传递”IPC机制通过IPC信道（channel），将数据以消息的形式从一个进程或线程传输给另一个进程或线程，如图1.3(1)所示。如果要传输的数据量很大，这些数据就会被分段，以
图1.3 消息传递与共享内存
消息序列的形式发送。如果有一个以上的进程接收数据，则每一条消息会发送多次，每一次针对一个接收者。很多流行的中间件体系结构，譬如，RPC、CORBA和“面向消息”中间件（MOM, message-oriented middleware），其内部都基于“消息传递”通信模型。
共享内存（shared memory）允许相同或不同主机上的多个进程访问、交换数据，就像数据位于每一个进程的本地地址空间一样。在网络应用程序中，如果数据必须被多个进程读取和（或）处理，那么，较之“消息传递”，“共享内存”设施将是一种更有效的通信机制。如果要在应用程序中使用原始（native）的OS“共享内存”机制，则应用程序不用定义“信息在实体间的传输方法”，它要定义如何定位（locate）和映射（map）共享内存区，还要定义“放在共享内存中”的数据结构。
共享内存有“本地（local）”和“分布式（distributed）”两种形式，如下文所述。
l 本地共享内存（Local shared memory）允许同一计算机上的进程拥有一个或多个共享内存区，这些内存区被映射为不同的虚拟地址范围。常见的共享内存机制有两种：
1. System V UNIX共享内存。shmget()系统函数创建一块新的共享内存区，或返回一块可用的共享内存区。进程可以通过shmat()系统函数将一块共享内存区挂接（attach）到它的虚拟地址空间上。
2. 内存映射文件。一个文件的“全部”或“局部”可以映射到一块虚拟内存区中，此虚拟
内存区被多个进程共享。内存映射文件的内容可以转储至永久存储器中，因而，它提供了一条“在执行程序之间保存和恢复信息”的捷径。
在这两种机制中，有了OS，多个进程可以将共享内存区映射到它们的地址空间中，如图1.3（2）所示。所有可以映射共享内存区的进程都可以直接读/写共享内存中的内容。
尽管共享内存很灵活，但是，通过共享内存进行多进程间通信，还是需要细致的编程。例如，应用程序开发者必须保证：共享数据不能被“竞态条件（race condition）”破坏。在第10章，我们将讲述系统范围（system-scope）同步机制，这种机制可以对一块共享内存区实施串行化（serialization）控制，使得共享信息能够以一种有序的方式被访问。同样，如果应用程序需要在共享内存中存储C++对象，也得认真设计，如副栏3所述。
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副栏3：C++对象与共享内存 |
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在C++中， new运算符可用来在共享内存中初始化C++对象。这一特性对concrete class（具体类）[Bja00]来说是可行的，因为每一个concrete class都包含“提供这一支持所需的全部操作”。concrete class中的所有方法（method）都是非虚方法（nonvirtual）；也就是说，它们是被直接调用的，而不是通过函数指针间接调用。很多ACE wrapper facade都是concrete type（具体类型），原因参见附录A.6的论述。 相反，abstract type（抽象类型）包含虚方法，如果将其置于共享内存中，则在编写程序时将很棘手。通常，虚方法是间接调用的，它要借助一个“位于对象内存中”的函数指针表（vtable）。在每一个映射了共享内存的进程中，此共享内存区可能位于不同的虚拟内存区域（location）[BC94、Jor91]。而且，C++编译器/链接器不一定会将vtable放在各个进程的相同地址中。因此，vtable及其指向的函数可能会被映射到各个进程中的不同虚拟地址中，因而必定会在运行时产生问题。 |
l 分布式共享内存（DSM）是程序设计中的一种抽象，它扩展了OS虚拟内存机制[JM98]，以供应用程序所需。虚拟内存提供了一组策略（policy），用于在需要时获取（fetching）、放置
（placing）、替换（replacing）一组内存页，从而给程序造成一种假象，认为自己拥有一块比实际物理内存大得多的地址空间。DSM在网络上扩展了虚拟内存的概念，以通过全局/共享内存中的数据进行透明的进程间通信。它体现了两种计算范式（computing paradigm）的结合：共享内存多处理器和分布式系统[PTM97]。
例如，在一些硬件/软件平台上，多台计算机被群集（cluster）为一套逻辑系统，系统中的内存在群集（cluster）中共享。应用程序通过共享内存通信，共享内存由网络计算机共同管理。DSM系统提供了相应的机制，以配合进程和网络节点的更新。通常，这种通信模型会在底层使用“消息传递”机制，用来协调数据交换，使读取者和写入者同步。
日志服务程序 => 在网络日志服务程序中，我们使用了一种实现在TCP/IP之上的“消息传递 ”IPC模型。一般来说，较之开发DSM机制并通过复杂的“分布式高速缓存一致性协议（distributed cache coherency protocol）”来管理它，使用消息传递 IPC更实际。由于DSM是一项高级研究课题，不常见于实际应用之中，所以，在本书中不会对其作进一步讨论。关于DSM方面的研究，介绍得比较好的是参考文献[NL91，PTM97]。
