Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru

Процессы. Системные вызовы fork() и exec(). Нити.
Перенаправление ввода/вывода
Команды для управления процессами
 

Материал этой статьи ни в коем случае не претендует на полноту. Более подробно о процессах вы можете прочитать в книгах, посвященных программированию под UNIX.

Процессы. Системные вызовы fork() и exec(). Нити.

Процесс в Linux (как и в UNIX) – это программа, которая выполняется в отдельном виртуальном адресном пространстве. Когда пользователь регистрируется в системе, автоматически создается процесс, в котором выполняется оболочка (shell), например, /bin/bash.

В Linux поддерживается классическая схема мультипрограммирования. Linux поддерживает параллельное (или квазипараллельное при наличии только одного процессора) выполнение процессов пользователя. Каждый процесс выполняется в собственном виртуальном адресном пространстве, т.е. процессы защищены друг от друга и крах одного процесса никак не повлияет на другие выполняющиеся процессы и на всю систему в целом. Один процесс не может прочитать что-либо из памяти (или записать в нее) другого процесса без «разрешения» на то другого процесса. Санкционированные взаимодействия между процессами допускаются системой.

Ядро предоставляет системные вызовы для создания новых процессов и для управления порожденными процессами. Любая программа может начать выполняться только если другой процесс ее запустит или произойдет какое-то прерывание (например, прерывание внешнего устройства).

В связи с развитием SMP (Symmetric Multiprocessor Architectures) в ядро Linux был внедрен механизм нитей или потоков управления (threads). Нить – это процесс, который выполняется в виртуальной памяти, используемой вместе с другими нитями процесса, который обладает отдельной виртуальной памятью.

Если интерпретатору (shell) встречается команда, соответствующая выполняемому файлу, интерпретатор выполняет ее, начиная с точки входа (entry point). Для С-программ entry point – это функция main. Запущенная программа тоже может создать процесс, т.е. запустить какую-то программу и ее выполнение тоже начнется с функции main.

Для создания процессов используются два системных вызова: fork() и exec. fork() создает новое адресное пространство, которое полностью идентично адресному пространству основного процесса. После выполнения этого системного вызова мы получаем два абсолютно одинаковых процесса – основной и порожденный. Функция fork() возвращает 0 в порожденном процессе и PID (Process ID – идентификатор порожденного процесса) – в основном. PID – это целое число.
Теперь, когда мы уже создали процесс, мы можем запустить программу с помощью вызова exec. Параметрами функции exec является имя выполняемого файла и, если нужно, параметры, которые будут переданы этой программе. В адресное пространство порожденного с помощью fork() процесса будет загружена новая программа и ее выполнение начнется с точки входа (адрес функции main).

В качестве примера рассмотрим этот фрагмент программы

if (fork()==0) wait(0);
 else execl("ls", "ls", 0); /* порожденный процесс */

Теперь рассмотрим более подробно, что же делается при выполнении вызова fork():

1. Выделяется память для описателя нового процесса в таблице процессов
2. Назначается идентификатор процесса PID
3. Создается логическая копия процесса, который выполняет fork() – полное копирование содержимого виртуальной памяти родительского процесса, копирование составляющих ядерного статического и динамического контекстов процесса-предка
4. Увеличиваются счетчики открытия файлов (порожденный процесс наследует все открытые файлы родительского процесса).
5. Возвращается PID в точку возврата из системного вызова в родительском процессе и 0 – в процессе-потомке.

Общая схема управления процессами
Каждый процесс может порождать полностью идентичный процесс с помощью fork(). Родительский процесс может дожидаться окончания выполнения всех своих процессов-потомков с помощью системного вызова wait.
В любой момент времени процесс может изменить содержимое своего образа памяти, используя одну из разновидностей вызова exec. Каждый процесс реагирует на сигналы и, естественно, может установить собственную реакцию на сигналы, производимые операционной системой. Приоритет процесса может быть изменен с помощью системного вызова nice.

Сигнал – способ информирования процесса ядром о происшествии какого-то события. Если возникает несколько однотипных событий, процессу будет подан только один сигнал. Сигнал означает, что произошло событие, но ядро не сообщает сколько таких событий произошло.

Примеры сигналов:

1. окончание порожденного процесса (например, из-за системного вызова exit (см. ниже))
2. возникновение исключительной ситуации
3. сигналы, поступающие от пользователя при нажатии определенных клавиш.

Установить реакцию на поступление сигнала можно с помощью системного вызова signal
func = signal(snum, function);

snum – номер сигнала, а function – адрес функции, которая должна быть выполнена при поступлении указанного сигнала. Возвращаемое значение – адрес функции, которая будет реагировать на поступление сигнала. Вместо function можно указать ноль или единицу. Если был указан ноль, то при поступлении сигнала snum выполнение процесса будет прервано аналогично вызову exit. Если указать единицу, данный сигнал будет проигнорирован, но это возможно не для всех процессов.

С помощью системного вызова kill можно сгенерировать сигналы и передать их другим процессам.
kill(pid, snum);
где pid – идентификатор процесса, а snum – номер сигнала, который будет передан процессу. Обычно kill используется для того, чтобы принудительно завершить («убить») процесс.
Pid состоит из идентификатора группы процессов и идентификатора процесса в группе. Если вместо pid указать нуль, то сигнал snum будет направлен всем процессам, относящимся к данной группе (понятие группы процессов аналогично группе пользователей). В одну группу включаются процессы, имеющие общего предка, идентификатор группы процесса можно изменить с помощью системного вызова setpgrp. Если вместо pid указать -1, ядро передаст сигнал всем процессам, идентификатор пользователя которых равен идентификатору текущего выполнения процесса, который посылает сигнал.

Таблица 1. Номера сигналов
 

Номер	Название	Описание
01	SIGHUP	Освобождение линии (hangup).
02	SIGINT	Прерывание (interrupt).
03	SIGQUIT	Выход (quit).
04	SIGILL	Некорректная команда (illegal instruction). Не переустанавливается при перехвате.
05	SIGTRAP	Трассировочное прерывание (trace trap). Не переустанавливается при перехвате.
06	SIGIOT или SIGABRT	Машинная команда IOT.
07	SIGEMT	Машинная команда EMT.
08	SIGFPE	Исключительная ситуация при выполнении операции с вещественными числами (floating-point exception)
09	SIGKILL	Уничтожение процесса (kill). Не перехватывается и не игнорируется.
10	SIGBUS	Ошибка шины (bus error).
11	SIGSEGV	Некорректное обращение к сегменту памяти (segmentation violation).
12	SIGSYS	Некорректный параметр системного вызова (bad argument to system call).
13	SIGPIPE	Запись в канал, из которого некому читать (write on a pipe with no one to read it).
14	SIGALRM	Будильник
15	SIGTERM	Программный сигнал завершения
16	SIGUSR1	Определяемый пользователем сигнал 1
17	SIGUSR2	Определяемый пользователем сигнал 2
18	SIGCLD	Завершение порожденного процесса (death of a child).
19	SIGPWR	Ошибка питания
22		Регистрация выборочного события

Сигналы (точнее их номера) описаны в файле singnal.h

Для нормального завершение процесса используется вызов
exit(status);
где status – это целое число, возвращаемое процессу-предку для его информирования о причинах завершения процесса-потомка.
Вызов exit может задаваться в любой точке программы, но может быть и неявным, например при выходе из функции main (при программировании на C) оператор return 0 будет воспринят как системный вызов exit(0);
 

Перенаправление ввода/вывода

Практически все операционные системы обладают механизмом перенаправления ввода/вывода. Linux не является исключением из этого правила. Обычно программы вводят текстовые данные с консоли (терминала) и выводят данные на консоль. При вводе под консолью подразумевается клавиатура, а при выводе – дисплей терминала. Клавиатура и дисплей – это, соответственно, стандартный ввод и вывод (stdin и stdout). Любой ввод/вывод можно интерпретировать как ввод из некоторого файла и вывод в файл. Работа с файлами производится через их дескрипторы. Для организации ввода/вывода в UNIX используются три файла: stdin (дескриптор 1), stdout (2) и stderr(3).

Символ > используется для перенаправления стандартного вывода в файл.
Пример:
$ cat > newfile.txt Стандартный ввод команды cat будет перенаправлен в файл newfile.txt, который будет создан после выполнения этой команды. Если файл с этим именем уже существует, то он будет перезаписан. Нажатие Ctrl + D остановит перенаправление и прерывает выполнение команды cat.

Символ < используется для переназначения стандартного ввода команды. Например, при выполнении команды cat < file.txt в качестве стандартного ввода будет использован файл file.txt, а не клавиатура.

Символ >> используется для присоединения данных в конец файла (append) стандартного вывода команды. Например, в отличие от случая с символом >, выполнение команды cat >> newfile.txt не перезапишет файл в случае его существования, а добавит данные в его конец.

Символ | используется для перенаправления стандартного вывода одной программы на стандартный ввод другой. Напрмер, ps -ax | grep httpd.

Команды для управления процессами

Команда ps

Предназначена для вывода информации о выполняемых процессах. Данная команда имеет много параметров, о которых вы можете прочитать в руководстве (man ps). Здесь я опишу лишь наиболее часто используемые мной:

Параметр	Описание
-a	отобразить все процессы, связанных с терминалом (отображаются процессы всех пользователей)
-e	отобразить все процессы
-t список терминалов	отобразить процессы, связанные с терминалами
-u идентификаторы пользователей	отобразить процессы, связанные с данными идентификаторыми
-g идентификаторы групп	отобразить процессы, связанные с данными идентификаторыми групп
-x	отобразить все процессы, не связанные с терминалом

Например, после ввода команды ps -a вы увидите примерно следующее:

 PID TTY TIME CMD
 1007 tty1 00:00:00 bash
 1036 tty2 00:00:00 bash
 1424 tty1 00:00:02 mc
 1447 pts/0 00:00:02 mpg123
 2309 tty2 00:00:00 ps

Для вывода информации о конкретном процессе мы можем воспользоваться командой:

# ps -ax | grep httpd
 698 ? S 0:01 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1261 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1262 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1263 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1264 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1268 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1269 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1270 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1271 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1272 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1273 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A
 1280 ? S 0:00 httpd -DHAVE_PHP4 -DHAVE_PROXY -DHAVE_ACCESS -DHAVE_A

В приведенном выше примере используется перенаправление ввода вывода между программами ps и grep, и как результат получаем информацию обо всех процессах содержащих в строке запуска "httpd". Данную команду (ps -ax | grep httpd) я написал только лишь в демонстрационных целях – гораздо проще использовать параметр -С программы ps вместо перенаправления ввода вывода и параметр -e вместо -ax.

Программа top

Предназначена для вывода информации о процессах в реальном времени. Процессы сортируются по максимальному занимаемому процессорному времени, но вы можете изменить порядок сортировки (см. man top). Программа также сообщает о свободных системных ресурсах.

# top
7:49pm up 5 min, 2 users, load average: 0.03, 0.20, 0.11
56 processes: 55 sleeping, 1 running, 0 zombie, 0 stopped
CPU states: 7.6% user, 9.8% system, 0.0% nice, 82.5% idle
Mem: 130660K av, 94652K used, 36008K free, 0K shrd, 5220K buff
Swap: 72256K av, 0K used, 72256K free 60704K cached
PID USER PRI NI SIZE RSS SHARE STAT %CPU %MEM TIME COMMAND
1067 root 14 0 892 892 680 R 2.8 0.6 0:00 top
 1 root 0 0 468 468 404 S 0.0 0.3 0:06 init
 2 root 0 0 0 0 0 SW 0.0 0.0 0:00 kflushd
 3 root 0 0 0 0 0 SW 0.0 0.0 0:00 kupdate
 4 root 0 0 0 0 0 SW 0.0 0.0 0:00 kswapd
 5 root -20 -20 0 0 0 SW< 0.0 0.0 0:00 mdrecoveryd

Просмотреть информацию об оперативной памяти вы можете с помощью команды free, а о дисковой – df. Информация о зарегистрированных в системе пользователей доступна по команде w.

Изменение приоритета процесса – команда nice

nice [-коэффициент понижения] команда [аргумент]

Команда nice выполняет указанную команду с пониженным приоритетом, коэффициент понижения указывается в диапазоне 1..19 (по умолчанию он равен 10). Суперпользователь может повышать приоритет команды, для этого нужно указать отрицательный коэффициент, например --10. Если указать коэффициент больше 19, то он будет рассматриваться как 19.

nohup – игнорирование сигналов прерывания

nohup команда [аргумент]

nohup выполняет запуск команды в режиме игнорирования сигналов. Не игнорируются только сигналы SIGHUP и SIGQUIT.

kill – принудительное завершение процесса

kill [-номер сигнала] PID

где PID – идентификатор процесса, который можно узнать с помощью команды ps.

Команды выполнения процессов в фоновом режиме – jobs, fg, bg

Команда jobs выводит список процессов, которые выполняются в фоновом режиме, fg – переводит процесс в нормальные режим («на передний план» – foreground), а bg – в фоновый. Запустить программу в фоновом режиме можно с помощью конструкции команда &