Билеты (Graur) (Экзамен), страница 9

Будем использовать термины 0^й процесс, 1^й процесс, 125^й процесс, это означает, что речь идет о процессах с PID = 0, 1, 125. 0^й процесс в системе ассоциируется с работой ядра Unix. С точки зрения организации данных PID – номер строки в таблице, в которой размещена запись о процессе.

Контекст процесса

Содержимое записи таблицы процессов позволяет получить контекст процесса (часть данных контекста размещается непосредственно в записи таблицы процессов, на оставшуюся часть контекста имеются прямые или косвенные ссылки, также размещенные в записи таблицы процессов).

С точки зрения логической структуры контекст процесса Unix состоит из:

• пользовательской составляющей или тела процесса (иногда используется пользовательский контекст)

• аппаратной составляющей (иногда используется аппаратный контекст)

• системной составляющей ОС Unix (иногда – системный контекст)

Иногда два последних компонента объединяют, в этом случае используется термин общесистемная составляющая контекста.

Тело процесса состоит из сегмента кода и сегмента данных.

Сегмент кода содержит машинные команды и неизменяемые константы соответствующей процессу программы.

Сегмент данных – содержит данные, динамически изменяемые в ходе выполнения кода процесса. Сегмент данных содержит область статических переменных, область разделяемой с другими процессами памяти, а также область стека (обычно эта область служит основой для организации автоматических переменных, передачи параметров в функции, организацию динамической памяти).

Некоторые современные ОС имеют возможность разделения единого сегмента кода между разными процессами. Тем самым достигается экономия памяти в случаях одновременного выполнения идентичных процессов.

Например, при функционировании терминального класса одновременно могут быть сформированы несколько копий текстового редактора. В этом случае сегмент кода у всех процессов, соответствующих редакторам, будет единый, а сегменты данных будут у каждого процесса свои.

Следует отметить, что при использовании динамически загружаемых библиотек возможно разделение сегмента кода на неизменную часть, которая может разделяться между процессами и часть, соответствующую изменяемому в динамике коду подгружаемых программ.

Аппаратная составляющая содержит все регистры и аппаратные таблицы ЦП, используемые активным или исполняемым процессом (счетчик команд, регистр состояния процессора, аппарат виртуальной памяти, регистры общего назначения и т. д.).

Обращаем внимание, что аппаратная составляющая имеет смысл только для процессов, находящихся в состоянии выполнения. Для процессов, находящихся в других состояниях содержимое составляющей не определено.

Системная составляющая.

В системной составляющей контекста процесса содержатся различные атрибуты процесса, такие как:

• идентификатор родительского процесса;

• текущее состояние процесса;

• приоритет процесса;

• реальный идентификатор пользователя-владельца (идентификатор пользователя, сформировавшего процесс);

• эффективный идентификатор пользователя-владельца (идентификатор пользователя, по которому определяются права доступа процесса к файловой системе);

• реальный идентификатор группы, к которой принадлежит владелец (идентификатор группы к которой принадлежит пользователь, сформировавший процесс);

• эффективный идентификатор группы, к которой принадлежит владелец (идентификатор группы «эффективного» пользователя, по которому определяются права доступа процесса к файловой системе);

• список областей памяти;

• таблица открытых файлов процесса;

• информация о том, какая реакция установлена на тот или иной сигнал (аппарат сигналов позволяет передавать воздействия от ядра системы процессу и от процесса к процессу);

• информация о сигналах, ожидающих доставки в данный процесс;

• сохраненные значения аппаратной составляющей (когда выполнение процесса приостановлено).

Рассмотрим второе определение процесса Unix.

Процесс в ОС Unix – это объект, порожденный системным вызовом fork(). Данный системный вызов является единственным стандартным средством порождения процессов в системе Unix. Ниже рассмотрим возможности данного системного вызова подробнее.

Аппарат системных вызов в OC UNIX.

Привилегированный и обычный режим(есть набор инструкций, доступный только из привил.)Чтобы работать в с ресурсами ВС – переход в привел. Системные вызовы, предоставляемые ОС UNIX. К интересующим нас вызовам относятся вызовы

• для создания процесса;

• для организации ввода вывода;

• для решения задач управления;

• для операции координации процессов;

• для установки параметров системы.

Отметим некоторые общие моменты, связанные с работой системных вызовов.

Большая часть системных вызовов определены как функции, возвращающие целое значение, при этом при нормальном завершении системный вызов возвращает 0, а при неудачном завершении -1⁴. При этом код ошибки можно выяснить, анализируя значение внешней переменной errno, определенной в заголовочном файле <errno.h>.

В случае, если выполнение системного вызова прервано сигналом, поведение ОС зависит от конкретной реализации. Например, в BSD UNIX ядро автоматически перезапускает системный вызов после его прерывания сигналом, и таким образом, внешне никакого различия с нормальным выполнением системного вызова нет. Стандарт POSIX допускает и вариант, когда системный вызов не перезапускается, при этом системный вызов вернет –1, а в переменной errno устанавливается значение EINTR, сигнализирующее о данной ситуации.

БИЛЕТ 24

Базовые средства организации и управления процессами

Для порождения новых процессов в UNIX существует единая схема, с помощью которой создаются все процессы, существующие в работающем экземпляре ОС UNIX, за исключением первых двух процессов (0-го и 1-го).

Для создания нового процесса в операционной системе UNIX используется системный вызов fork(), в результате в таблицу процессов заносится новая запись, и порожденный процесс получает свой уникальный идентификатор. Для нового процесса создается контекст, большая часть содержимого которого идентична контексту родительского процесса, в частности, тело порожденного процесса содержит копии сегментов кода и данных его родителя. Сыновний процесс наследует от родительского процесса:

• окружение - при формировании процесса ему передается некоторый набор параметров-переменных, используя которые, процесс может взаимодействовать с операционным окружением (интерпретатором команд и т.д.);

• файлы, открытые в процессе-отце, за исключением тех, которым было запрещено передаваться процессам-потомкам с помощью задания специального параметра при открытии. (Речь идет о том, что в системе при открытии файла с файлом ассоциируется некоторый атрибут, который определяет правила передачи этого открытого файла сыновним процессам. По умолчанию открытые в «отце» файлы можно передавать «потомкам», но можно изменить значение этого параметра и блокировать передачу открытых в процессе-отце файлов.);

• способы обработки сигналов;

• разрешение переустановки эффективного идентификатора пользователя;

• разделяемые ресурсы процесса-отца;

• текущий рабочий каталог и домашний каталоги

• и т.д.

По завершении системного вызова fork() каждый из процессов – родительский и порожденный – получив управление, продолжат выполнение с одной и той же инструкции одной и той же программы, а именно с той точки, где происходит возврат из системного вызова fork(). Вызов fork() в случае удачного завершения возвращает сыновнему процессу значение 0, а родительскому PID порожденного процесса. Это принципиально важно для различения сыновнего и родительского процессов, так как сегменты кода у них идентичны. Таким образом, у программиста имеется возможность разделить путь выполнения инструкций в этих процессах.

В случае неудачного завершения, т.е. если сыновний процесс не был порожден, системный вызов fork() возвращает –1, код ошибки устанавливается в переменной errno.

Пример.

Программа создает два процесса – процесс-предок распечатывает заглавные буквы, а процесс-потомок строчные.

int main(int argc, char **argv)

{

char ch, first, last;

int pid;

if((pid=fork())>0)

{

/*процесс-предок*/

first =’A’;

last =’Z’;

}

else

{

/*процесс-потомок*/

first =’a’;

last =’z’;

}

for (ch = first; ch <= last; ch++)

{

write(1,&ch,1);

}

_exit(0);

}

Механизм замены тела процесса.

Семейство системных вызовов exec() производит замену тела вызывающего процесса, после чего данный процесс начинает выполнять другую программу, передавая управление на точку ее входа. Возврат к первоначальной программе происходит только в случае ошибки при обращении к exec() , т.е. если фактической замены тела процесса не произошло.

Заметим, что выполнение “нового” тела происходит в рамках уже существующего процесса, т.е. после вызова exec() сохраняется идентификатор процесса, и идентификатор родительского процесса, таблица дескрипторов файлов, приоритет, и большая часть других атрибутов процесса. Фактически происходит замена сегмента кода и сегмента данных. Изменяются следующие атрибуты процесса:

• режимы обработки сигналов: для сигналов, которые перехватывались, после замены тела процесса будет установлена обработка по умолчанию, т.к. в новой программе могут отсутствовать указанные функции-обработчики сигналов;

• эффективные идентификаторы владельца и группы могут измениться, если для новой выполняемой программы установлен s-бит

• перед началом выполнения новой программы могут быть закрыты некоторые файлы, ранее открытые в процессе. Это касается тех файлов, для которых при помощи системного вызова fcntl() был установлен флаг close-on-exec. Соответствующие файловые дескрипторы будут помечены как свободные.

Ниже представлены прототипы функций семейства exec():

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, char *arg0,…);

int execlp(const char *file, char *arg0,…);

int execle(const char *path, char *arg0,…, const char **env);

int execv(const char *path, const char **arg);

int execvp(const char *file, const char **arg);

int execve(const char *path, const char **arg, const char **env);

Первый параметр во всех вызовах задает имя файла программы, подлежащей исполнению. Этот файл должен быть исполняемым файлом и пользователь-владелец процесса должен иметь право на исполнение данного файла. Для функций с суффиксом «p» в названии имя файла может быть кратким, при этом при поиске нужного файла будет использоваться переменная окружения PATH. Далее передаются аргументы командной строки для вновь запускаемой программы, которые отобразятся в ее массив argv – в виде списка аргументов переменной длины для функций с суффиксом «l» либо в виде вектора строк для функций с суффиксом «v». В любом случае, в списке аргументов должно присутствовать как минимум 2 аргумента: имя программы, которое отобразится в элемент argv[0], и значение NULL, завершающее список.

В функциях с суффиксом «e» имеется также дополнительный аргумент, описывающий переменные окружения для вновь запускаемой программы – это массив строк вида name=value, завершенный значением NULL.

Пример.

#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv)

{

…

/*тело программы*/

…

execl(“/bin/ls”,”ls”,”-l”,(char*)0);

/* или execlp(“ls”,”ls”, ”-l”,(char*)0);*/

printf(“это напечатается в случае неудачного обращения к предыдущей функции, к примеру, если не был найден файл ls \n”);

…

}

В данном случае второй параметр – вектор из указателей на параметры строки, которые будут переданы в вызываемую программу. Как и ранее первый указатель – имя программы, последний – нулевой указатель. Эти вызовы удобны, когда заранее неизвестно число аргументов вызываемой программы.

Чрезвычайно полезным является использование fork() совместно с системным вызовом exec(). Как отмечалось выше системный вызов exec() используется для запуска исполняемого файла в рамках существующего процесса. Ниже приведена общая схема использования связки fork() - exec().

Завершение процесса.

Для завершения выполнения процесса предназначен системный вызов _exit()

void _exit(int exitcode);

Кроме обращения к вызову _exit(), другими причинами завершения процесса могут быть:

• оператора return, входящего в состав функции main()

• получение некоторых сигналов (об этом речь пойдет чуть ниже)

В любом из этих случаев происходит следующее:

• освобождаются сегмент кода и сегмент данных процесса

• закрываются все открытые дескрипторы файлов

• если у процесса имеются потомки, их предком назначается процесс с идентификатором 1

• освобождается большая часть контекста процесса, однако сохраняется запись в таблице процессов и та часть контекста, в которой хранится статус завершения процесса и статистика его выполнения

• процессу-предку завершаемого процесса посылается сигнал SIGCHLD

Состояние, в которое при этом переходит завершаемый процесс, в литературе часто называют состоянием “зомби”.

Процесс-предок имеет возможность получить информацию о завершении своего потомка. Для этого служит системный вызов wait():