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():
- Выделяется память для описателя нового процесса в таблице процессов
- Назначается идентификатор процесса PID
- Создается логическая копия процесса, который выполняет fork() – полное копирование содержимого виртуальной памяти родительского процесса, копирование составляющих ядерного статического и динамического контекстов процесса-предка
- Увеличиваются счетчики открытия файлов (порожденный процесс наследует все открытые файлы родительского процесса).
- 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:
- окончание порожденного процесса (например, из-за системного вызова exit (см. ниже))
- возникновение исключительной ситуации
- 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 |
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);
