প্রসেসগুলির মধ্যে যোগাযোগ (IPC) মেকানিজম পার্ট ৩ (৬টির মধ্যে) অ্যাডভান্সড সি টপিকস

একটি একক প্রসেসের মধ্যে থ্রেডগুলি সহজেই মেমরি শেয়ার করতে পারলেও, ডিফল্টভাবে পৃথক প্রসেসগুলি বিচ্ছিন্ন মেমরি স্পেসে চলে। কিন্তু যদি ভিন্ন প্রোগ্রামগুলির একে অপরের সাথে সহযোগিতা করা, ডেটা শেয়ার করা বা তাদের কাজগুলি সিনক্রোনাইজ করার প্রয়োজন হয়? এখানেই ইন্টার-প্রসেস কমিউনিকেশন (IPC) আসে। এই আর্টিকেলটি সি-তে ইউনিউক্স-সদৃশ অপারেটিং সিস্টেমগুলিতে (Linux, macOS, ইত্যাদি) উপলব্ধ সাধারণ IPC মেকানিজমগুলি অন্বেষণ করে, যা আপনার সি প্রোগ্রামগুলিকে কার্যকরভাবে একসাথে কাজ করতে সক্ষম করে।

প্রসেসগুলির কেন যোগাযোগের প্রয়োজন?

প্রসেসগুলি তাদের নিজস্ব মেমরি স্পেস সহ স্বাধীন এক্সিকিউশন ইউনিট। বিভিন্ন কারণে IPC অপরিহার্য:

1. ডেটা শেয়ারিং: একটি প্রসেস ডেটা তৈরি করতে পারে (যেমন, সেন্সর রিডিং) যা অন্য প্রসেসের ব্যবহার করার প্রয়োজন হতে পারে (যেমন, ডেটা বিশ্লেষণ বা প্রদর্শন)।
2. টাস্ক ডিস্ট্রিবিউশন: জটিল কাজগুলিকে ছোট, বিশেষায়িত প্রসেসগুলিতে ভাগ করা যেতে পারে যা ফলাফলগুলি যোগাযোগ করে।
3. মডুলারিটি: যোগাযোগেরত প্রসেসগুলির সেট হিসাবে অ্যাপ্লিকেশন তৈরি করলে সেগুলিকে ডেভেলপ, টেস্ট এবং মেইনটেন করা সহজ হতে পারে।
4. সিনক্রোনাইজেশন: নির্দিষ্ট ঘটনা ঘটলে প্রসেসগুলির শেয়ার্ড রিসোর্সগুলিতে (যেমন একটি ফাইল বা হার্ডওয়্যার ডিভাইস) অ্যাক্সেস সমন্বয় করতে বা একে অপরের কাছে সংকেত পাঠাতে হতে পারে।
5. ক্লায়েন্ট-সার্ভার মডেল: অনেক অ্যাপ্লিকেশন ক্লায়েন্ট-সার্ভার আর্কিটেকচার অনুসরণ করে যেখানে পৃথক ক্লায়েন্ট এবং সার্ভার প্রসেসগুলি যোগাযোগ করে (প্রায়শই সকেট ব্যবহার করে, যা IPC-এর একটি রূপ)।
6. প্রিভিলেজ সেপারেশন: সুরক্ষা-সংবেদনশীল অপারেশনগুলি একটি প্রসেসে বিচ্ছিন্ন করা যেতে পারে, নিয়ন্ত্রিত IPC চ্যানেলের মাধ্যমে কম সুবিধাপ্রাপ্ত প্রসেসগুলির সাথে যোগাযোগ করে।

সি-তে সাধারণ IPC মেকানিজম (ইউনিউক্স-সদৃশ সিস্টেম)

ইউনিউক্স-সদৃশ সিস্টেমগুলি POSIX স্ট্যান্ডার্ড দ্বারা সংজ্ঞায়িত সহ বেশ কয়েকটি স্ট্যান্ডার্ড IPC মেকানিজম সরবরাহ করে। চলুন সবচেয়ে সাধারণগুলি অন্বেষণ করি:

১. পাইপ (অনামাঙ্কিত পাইপ)

• ধারণা: IPC-এর সবচেয়ে সহজ রূপ। একটি পাইপ দুটি সম্পর্কিত প্রসেসকে (সাধারণত fork() এর মাধ্যমে তৈরি একটি পেরেন্ট এবং তার চাইল্ড) সংযোগকারী একটি ইউনিডিরেকশনাল বাইট স্ট্রিম সরবরাহ করে। এটিকে মেমরিতে তৈরি একটি সরাসরি conduit হিসাবে ভাবুন।
• বৈশিষ্ট্য:     _ ইউনিডিরেকশনাল (ডেটা এক পথে প্রবাহিত হয়)।     _ এটি ব্যবহারকারী প্রসেসগুলি জীবিত থাকাকালীনই বিদ্যমান থাকে।     * pipe() সিস্টেম কল ব্যবহার করে তৈরি করা হয়, যা দুটি ফাইল ডিসক্রিপ্টর রিটার্ন করে: একটি পড়ার জন্য (fd[0]) এবং একটি লেখার জন্য (fd[1])।
• সাধারণ ব্যবহার:     1.  পেরেন্ট প্রসেস পাইপ তৈরি করতে pipe() কল করে।     2.  পেরেন্ট চাইল্ড প্রসেস তৈরি করতে fork() কল করে।     3.  পেরেন্ট অব্যবহৃত প্রান্ত বন্ধ করে দেয় (যেমন, যদি সে শুধুমাত্র লিখতে চায় তবে রিড প্রান্ত বন্ধ করে)।     4.  চাইল্ড তার অব্যবহৃত প্রান্ত বন্ধ করে দেয় (যেমন, যদি সে শুধুমাত্র পড়তে চায় তবে রাইট প্রান্ত বন্ধ করে)।     5.  প্রসেসগুলি তাদের নিজ নিজ ফাইল ডিসক্রিপ্টরে read() এবং write() ব্যবহার করে।     6.  কাজ শেষ হলে ডিসক্রিপ্টরগুলি বন্ধ করুন।
• মূল ফাংশন: pipe(), fork(), read(), write(), close()।
• উদাহরণ দৃশ্যকল্প: ডেটা তৈরি করে এমন একটি পেরেন্ট প্রসেস এবং প্রসেসিংয়ের জন্য একটি চাইল্ড প্রসেসে ডেটা পাঠানো।

// Conceptual Example: Parent writing to Child via Pipe
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h> // For wait()

int main() {
    int pipe_fds[2]; // pipe_fds[0] is read end, pipe_fds[1] is write end
    pid_t pid;
    char buffer[100];

    if (pipe(pipe_fds) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid = fork();

    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == 0) { // Child process - reads from pipe
        close(pipe_fds[1]); // Close unused write end

        printf("Child: Waiting to read from pipe...n");
        ssize_t num_read = read(pipe_fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (num_read == -1) {
            perror("read");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        buffer[num_read] = '0'; // Null-terminate
        printf("Child: Read '%s' from pipe.n", buffer);

        close(pipe_fds[0]); // Close read end
        exit(EXIT_SUCCESS);

    } else { // Parent process - writes to pipe
        close(pipe_fds[0]); // Close unused read end

        const char *message = "Hello from Parent!";
        printf("Parent: Writing '%s' to pipe...n", message);
        if (write(pipe_fds[1], message, strlen(message)) == -1) {
            perror("write");
            // Optionally close pipe and exit, or handle error
        }

        close(pipe_fds[1]); // Close write end (signals EOF to reader)
        wait(NULL); // Wait for child to finish
        printf("Parent: Child finished.n");
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    return 0; // Should not be reached
}

২. ফিফো (নামাঙ্কিত পাইপ)

• ধারণা: পাইপের মতোই, তবে এগুলি ফাইলসিস্টেমের মধ্যে বিশেষ ফাইল হিসাবে বিদ্যমান থাকে। এটি অসম্পর্কিত প্রসেসগুলিকে সাধারণ পূর্বপুরুষের প্রয়োজন ছাড়াই যোগাযোগ করতে দেয়।   * বৈশিষ্ট্য:       _ ইউনিডিরেকশনাল (সাধারণত, যদিও দুটি FIFO এটিকে বাইডিরেকশনাল করতে পারে)।       _ পারসিস্টেন্ট: স্পষ্টভাবে মুছে না ফেলা পর্যন্ত (unlink()) ফাইলসিস্টেমে বিদ্যমান থাকে।       _ প্রসেসগুলি স্ট্যান্ডার্ড ফাইল I/O ফাংশন (open, read, write, close) ব্যবহার করে এটির সাথে ইন্টারঅ্যাক্ট করে।       _ mkfifo() ব্যবহার করে তৈরি করা হয়।   * সাধারণ ব্যবহার:     1.  একটি প্রসেস (যেমন, একটি সার্ভার) mkfifo() ব্যবহার করে FIFO তৈরি করে।     2.  সার্ভার প্রসেস FIFO খোলার জন্য প্রস্তুত (কোনও রাইটার এটি খোলা পর্যন্ত এটি ব্লক করতে পারে)।     3.  অন্য একটি প্রসেস (যেমন, একটি ক্লায়েন্ট) একই FIFO ফাইলটি লেখার জন্য খোলে।     4.  তারা read() এবং write() ব্যবহার করে যোগাযোগ করে।     5.  কাজ শেষ হলে FIFO ডিসক্রিপ্টরগুলি বন্ধ করুন।     6.  অবশেষে, FIFO ফাইলটি অপসারণ করতে unlink() কল করুন।   * মূল ফাংশন: mkfifo(), open(), read(), write(), close(), unlink()।   * উদাহরণ দৃশ্যকল্প: বিভিন্ন ক্লায়েন্ট অ্যাপ্লিকেশন দ্বারা FIFO-তে লেখা বার্তাগুলি পড়া একটি লগিং সার্ভার প্রসেস।

৩. শেয়ার্ড মেমরি (পোসিক্স)

• ধারণা: সবচেয়ে দ্রুততম IPC মেকানিজম। এটি একাধিক প্রসেসকে একই ফিজিক্যাল মেমরির অঞ্চলকে তাদের নিজস্ব ভার্চুয়াল অ্যাড্রেস স্পেসে ম্যাপ করার অনুমতি দেয়। একটি প্রসেস দ্বারা লেখা ডেটা অবিলম্বে অন্য প্রসেসগুলির কাছে দৃশ্যমান হয় যারা সেগমেন্টটি শেয়ার করছে।   * বৈশিষ্ট্য:       _ অত্যন্ত দ্রুত: ডেটা স্থানান্তরের জন্য কোনও কার্নেল হস্তক্ষেপের প্রয়োজন নেই (শুধুমাত্র সেটআপ/টেয়ারডাউন এর জন্য)।       _ বাহ্যিক সিনক্রোনাইজেশন প্রয়োজন: যেহেতু প্রসেসগুলি সরাসরি একই মেমরি অ্যাক্সেস করে, তাই রেস কন্ডিশন প্রতিরোধ করার জন্য আপনাকে সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রিমিটিভ (যেমন সেমাফোর বা মিউটেক্স, প্রায়শই শেয়ার্ড মেমরির মধ্যে সংরক্ষিত) ব্যবহার করতেই হবে।       _ প্রচুর পরিমাণে ডেটার জন্য উপযুক্ত।       _ POSIX বাস্তবায়ন ভার্চুয়াল ফাইলসিস্টেমে নামাঙ্কিত অবজেক্ট (/somename) ব্যবহার করে।   _ সাধারণ ব্যবহার (পোসিক্স):     1.  প্রসেসগুলি একটি নামাঙ্কিত শেয়ার্ড মেমরি অবজেক্ট তৈরি বা খুলতে shm_open() ব্যবহার করে, একটি ফাইল ডিসক্রিপ্টর পায়। O_CREAT, O_RDWR-এর মতো ফ্ল্যাগ ব্যবহার করুন।     2.  তৈরি করা প্রসেস (বা তাদের মধ্যে একটি) শেয়ার্ড মেমরি অবজেক্টের আকার সেট করতে ftruncate() ব্যবহার করে।     3.  প্রসেসগুলি শেয়ার্ড মেমরি অবজেক্টকে (shm_open() থেকে পাওয়া ফাইল ডিসক্রিপ্টর ব্যবহার করে) তাদের অ্যাড্রেস স্পেসে ম্যাপ করতে mmap() ব্যবহার করে, একটি void _পয়েন্টার পায়। 4. প্রসেসগুলি পয়েন্টারের মাধ্যমে ডেটা পড়ে এবং লেখে, উপযুক্ত সিঙ্ক্রোনাইজেশন ব্যবহার করে (যেমন শেয়ার্ড মেমরির মধ্যে ইনিশিয়ালাইজ করা POSIX সেমাফোর)। 5. প্রসেসগুলি মেমরি অঞ্চল আনম্যাপ করতেmunmap()ব্যবহার করে। 6. প্রসেসগুলি ফাইল ডিসক্রিপ্টরেclose()ব্যবহার করে। 7. একটি প্রসেস অবশেষে নামাঙ্কিত শেয়ার্ড মেমরি অবজেক্ট সরাতেshm_unlink()কল করে। * মূল ফাংশন (পোসিক্স):shm_open(), ftruncate(), mmap(), munmap(), close(), shm_unlink()। সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রয়োজন (যেমন sem_open, sem_wait, sem_post, sem_close, sem_unlink)। * লিঙ্ক করা: রিয়েল-টাইম লাইব্রেরির সাথে লিঙ্ক করা প্রয়োজন: -lrt। প্রায়শই POSIX সেমাফোর/মিউটেক্স ব্যবহার করলে -lpthread-ও প্রয়োজন হয়।   * উদাহরণ দৃশ্যকল্প: একাধিক প্রসেস একটি বৃহৎ ডেটা সেটের উপর একসঙ্গে কাজ করছে (যেমন, ইমেজ প্রসেসিং, বৈজ্ঞানিক কম্পিউটিং)।

৪. মেসেজ কিউ (পোসিক্স)

_ ধারণা: প্রসেসগুলিকে কার্নেল-পরিচালিত কিউয়ের মাধ্যমে পরোক্ষভাবে ফর্ম্যাট করা বার্তা বিনিময় করার অনুমতি দেয়। প্রসেসগুলিকে যুগপৎভাবে চলতে বা সরাসরি সংযুক্ত থাকতে হবে না।   _ বৈশিষ্ট্য:       _ বার্তা-ভিত্তিক: বার্তার সীমানা সংরক্ষণ করে (স্ট্রিম-ভিত্তিক পাইপ/FIFO-এর বিপরীতে)।       _ পরোক্ষ যোগাযোগ: প্রেরক কিউয়ে বার্তা যোগ করে, গ্রহণকারী সেগুলি পুনরুদ্ধার করে।       _ বার্তাগুলিতে অগ্রাধিকার থাকতে পারে।       _ কার্নেল স্টোরেজ এবং ডেলিভারি পরিচালনা করে।       _ POSIX বাস্তবায়ন নামাঙ্কিত কিউ (/queuename) ব্যবহার করে।   _ সাধারণ ব্যবহার (পোসিক্স):     1.  প্রসেসগুলি একটি নামাঙ্কিত মেসেজ কিউ তৈরি বা খুলতে mq_open() ব্যবহার করে, একটি কিউ ডিসক্রিপ্টর (mqd_t) পায়। O_CREAT, O_RDWR-এর মতো ফ্ল্যাগ ব্যবহার করুন। তৈরির সময় সর্বোচ্চ বার্তা এবং সর্বোচ্চ বার্তার আকারের মতো বৈশিষ্ট্য সেট করা যেতে পারে।     2.  প্রসেসগুলি কিউয়ে বার্তা যোগ করতে mq_send() ব্যবহার করে (বার্তার বিষয়বস্তু, দৈর্ঘ্য এবং অগ্রাধিকার সরবরাহ করে)।     3.  প্রসেসগুলি কিউ থেকে বার্তা পুনরুদ্ধার করতে mq_receive() ব্যবহার করে (সর্বোচ্চ অগ্রাধিকারের সবচেয়ে পুরানো বার্তা সাধারণত প্রথমে পুনরুদ্ধার করা হয়)।     4.  প্রসেসগুলি তাদের ডিসক্রিপ্টর বন্ধ করতে mq_close() ব্যবহার করে।     5.  একটি প্রসেস অবশেষে নামাঙ্কিত কিউটি সরাতে mq_unlink() কল করে।   _ মূল ফাংশন (পোসিক্স): mq_open(), mq_send(), mq_receive(), mq_getattr(), mq_setattr(), mq_close(), mq_unlink()।   _ লিঙ্ক করা: রিয়েল-টাইম লাইব্রেরির সাথে লিঙ্ক করা প্রয়োজন: -lrt।   * উদাহরণ দৃশ্যকল্প: একাধিক কর্মী প্রসেস থেকে বার্তা গ্রহণকারী একটি কেন্দ্রীয় লগিং প্রসেস; কর্মী প্রসেসগুলিতে কাজ বিতরণ করা।

৫. সকেট (ইউনিউক্স ডোমেইন সকেট)

• ধারণা: যদিও প্রায়শই নেটওয়ার্ক যোগাযোগের সাথে যুক্ত থাকে, সকেটগুলি একই মেশিনে AF_UNIX (বা AF_LOCAL) অ্যাড্রেস ফ্যামিলি ব্যবহার করে IPC-এর জন্যও ব্যবহার করা যেতে পারে। এগুলি IP অ্যাড্রেস এবং পোর্টের পরিবর্তে ফাইলসিস্টেম পাথকে ঠিকানা হিসাবে ব্যবহার করে।   * বৈশিষ্ট্য:       _ নেটওয়ার্ক সকেটের মতো আচরণ করে (socket, bind, listen, accept, connect)।       _ নির্ভরযোগ্য, সংযোগ-ভিত্তিক স্ট্রিম (SOCK_STREAM) বা সংযোগহীন ডেটাগ্রাম (SOCK_DGRAM) সরবরাহ করতে পারে।       _ স্থানীয় যোগাযোগের জন্য নেটওয়ার্ক সকেটের চেয়ে সাধারণত দ্রুততর কারণ তারা নেটওয়ার্ক স্ট্যাক বাইপাস করে।   _ ব্যবহার: নেটওয়ার্ক প্রোগ্রামিংয়ের প্রেক্ষাপটে আরও বিস্তারিতভাবে কভার করা হয়েছে। সকেট ব্যবহার করে সি-তে আমাদের নেটওয়ার্ক প্রোগ্রামিং আর্টিকেলটি দেখুন।

সঠিক IPC মেকানিজম নির্বাচন করা

সাধারণ নির্দেশিকা:

_ সহজ পেরেন্ট-চাইল্ড যোগাযোগের জন্য পাইপ ব্যবহার করুন।   _ ফাইলসিস্টেমের মাধ্যমে যখন অসম্পর্কিত প্রসেসগুলির একটি সাধারণ স্ট্রিম সংযোগের প্রয়োজন হয় তখন FIFO ব্যবহার করুন।   _ যখন পারফরম্যান্স গুরুত্বপূর্ণ এবং প্রসেসগুলির বৃহৎ সাধারণ ডেটাসেট অ্যাক্সেস করার প্রয়োজন হয় তখন শেয়ার্ড মেমরি ব্যবহার করুন (তবে জটিল সিনক্রোনাইজেশনের জন্য প্রস্তুত থাকুন)।   _ যখন প্রসেসগুলির অ্যাসিঙ্ক্রোনাসলি বা অগ্রাধিকার সহ ডিসক্রিট বার্তা বিনিময় করার প্রয়োজন হয় তখন মেসেজ কিউ ব্যবহার করুন।   * স্থানীয়ভাবে ক্লায়েন্ট-সার্ভার মডেলের প্রয়োজন হলে বা পরে নেটওয়ার্ক যোগাযোগের জন্য প্রসারিত করার সম্ভাবনা থাকলে নমনীয়, সাধারণ ব্যবহারের স্থানীয় যোগাযোগের জন্য ইউনিউক্স ডোমেইন সকেট ব্যবহার করুন।

ত্রুটি পরিচালনা

সি-তে বেশিরভাগ সিস্টেম প্রোগ্রামিংয়ের মতো, IPC-এর জন্য নিখুঁত ত্রুটি পরিচালনা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। IPC ফাংশনগুলির রিটার্ন ভ্যালু (pipe, mkfifo, shm_open, mq_open, read, write, mmap, ইত্যাদি) সর্বদা চেক করুন। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে ত্রুটিতে -1 রিটার্ন করে এবং errno ভ্যারিয়েবল সেট করে। তথ্যপূর্ণ ত্রুটি বার্তা প্রিন্ট করতে perror("Function that failed") ব্যবহার করুন। ত্রুটি পরিচালনা করতে ব্যর্থ হলে ডেডলক, ডেটা দুর্নীতি, বা রিসোর্স লিক হতে পারে।

উপসংহার

মাল্টিপল কম্পোনেন্টগুলির সহযোগিতা করার প্রয়োজন হয় এমন পরিশীলিত অ্যাপ্লিকেশন তৈরির জন্য ইন্টার-প্রসেস কমিউনিকেশন মৌলিক। সি, বিশেষ করে ইউনিউক্স-সদৃশ সিস্টেমগুলিতে, সহজ পাইপ থেকে উচ্চ-পারফরম্যান্স শেয়ার্ড মেমরি এবং নমনীয় মেসেজ কিউ পর্যন্ত IPC সরঞ্জামগুলির একটি সমৃদ্ধ সেট সরবরাহ করে। প্রতিটি মেকানিজমের বৈশিষ্ট্য, সুবিধা এবং অসুবিধাগুলি বোঝা আপনাকে আপনার নির্দিষ্ট যোগাযোগের প্রয়োজনের জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত সরঞ্জাম নির্বাচন করতে সহায়তা করে, যা আপনাকে শক্তিশালী, মডুলার এবং দক্ষ সি প্রোগ্রাম তৈরি করতে সক্ষম করে।

প্রস্তাবিত পাঠ:

_ (পূর্ববর্তী সি সিরিজ): আমাদের সি-এর সাথে শুরু করার সিরিজ এবং ইন্টারমিডিয়েট সি কনসেপ্টস দিয়ে আপনার সি মৌলিক বিষয়গুলি শক্তিশালী নিশ্চিত করুন।   _ (মাল্টি-থ্রেডিং আর্টিকেল): ইন্ট্রা-প্রসেস কনকারেন্সির জন্য পোসিক্স থ্রেড সহ সি-তে মাল্টি-থ্রেডিং এর সাথে IPC তুলনা করুন।   _ (নেটওয়ার্কিং আর্টিকেল): আমাদের সকেট ব্যবহার করে সি-তে নেটওয়ার্ক প্রোগ্রামিং আর্টিকেলে নেটওয়ার্ক এবং স্থানীয় যোগাযোগের জন্য সকেটগুলি কীভাবে ব্যবহৃত হয় তা দেখুন।   _ (সিস্টেম প্রোগ্রামিং আর্টিকেল): (যদি উপলব্ধ থাকে) সি সহ লো-লেভেল সিস্টেম প্রোগ্রামিং গভীরভাবে অন্বেষণ করুন।