Ключевым понятием во всех операционных системах является процесс. Процессом, по существу, является программа во время ее выполнения. С каждым процессом связано его адресное пространство — список адресов ячеек памяти от нуля до некоторого максимума, откуда процесс может считывать данные и куда может записывать их.
Адресное пространство содержит выполняемую программу, данные этой программы и ее стек. Кроме этого, с каждым процессом связан набор ресурсов, который обычно включает регистры (в том числе счетчик команд и указатель стека), список открытых файлов, необработанные предупреждения, список связанных процессов и всю остальную информацию, необходимую в процессе работы программы. Таким образом, процесс — это контейнер, в котором содержится вся информация, необходимая для работы программы.
Более подробно понятие процесса будет рассмотрено в главе 2, а сейчас, для того чтобы выработать интуитивное представление о процессе, рассмотрим систему, работающую в мультипрограммном режиме. Пользователь может запустить программу редактирования видео и указать конвертирование одночасового видеофайла в какой-нибудь определенный формат (процесс займет несколько часов), а затем переключиться на блуждания по Интернету.
Помешанные на чистоте 3 сезон 5 серия.
При этом может заработать фоновый процесс, который периодически «просыпается» для проверки входящей электронной почты. И у нас уже будет (как минимум) три активных процесса: видеоредактор, веб-браузер и программа получения (клиент) электронной почты. Периодически операционная система будет принимать решения остановить работу одного процесса и запустить выполнение другого, возможно, из-за того, что первый исчерпал свою долю процессорного времени в предыдущую секунду или две.
Если процесс приостанавливается таким образом, позже он должен возобновиться именно с того состояния, в котором был остановлен.
Это означает, что на период приостановки вся информация о процессе должна быть явным образом где-то сохранена. Например, у процесса могут быть одновременно открыты для чтения несколько файлов. С каждым из этих файлов связан указатель текущей позиции (то есть номер байта или записи, которая должна быть считана следующей). Когда процесс приостанавливается, все эти указатели должны быть сохранены, чтобы вызов read, выполняемый после возобновления процесса, приводил к чтению нужных данных. Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, за исключением содержимого его собственного адресного пространства, хранится в таблице операционной системы, которая называется таблицей процессов и представляет собой массив (или связанный список) структур, по одной на каждый из существующих на данный момент процессов.
Таким образом, процесс (в том числе приостановленный) состоит из собственного адресного пространства, которое обычно называют образом памяти, и записи в таблице процессов с содержимым его регистров, а также другой информацией, необходимой для последующего возобновления процесса.
Главными системными вызовами, используемыми при управлении процессами, являются вызовы, связанные с созданием и завершением процессов. Рассмотрим простой пример. Процесс, называемый интерпретатором команд, или оболочкой, считывает команды с терминала. Пользователь только что набрал команду, требующую компиляции программы.
Камеди Клаб Новый сезон «Доклад наверх» Харламов, Батрутдинов, Бутусов, Иванов, Кравец
Теперь оболочка должна создать новый процесс, запускающий компилятор. Когда этот процесс завершит компиляцию, он произведет системный вызов для завершения собственного существования.
Если процесс способен создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы в свою очередь могут создавать собственные дочерние процессы, то перед нами предстает дерево процессов, подобное изображенному на рис. 1.13. Связанные процессы, совместно работающие над выполнением какой-нибудь задачи, зачастую нуждаются в обмене данными друг с другом и синхронизации своих действий.
Такая связь называется межпроцессным взаимодействием и будет подробно рассмотрена в главе 2.
Рис. 1.13. Дерево процессов. Процесс A создал два дочерних процесса, B и C.
Временами возникает потребность в передаче информации запущенному процессу, который не находится в состоянии ожидания этой информации. Можно привести в пример процесс, который обменивается информацией с другим процессом, запущенным на другом компьютере, и посылает удаленному процессу сообщение по сети. Чтобы застраховаться от возможной утраты сообщения или ответа на него, отправитель может запросить собственную операционную систему уведомить его по истечении определенного интервала времени, чтобы он мог повторно отправить сообщение, если не получит подтверждения его получения раньше. После установки такого таймера программа может продолжить выполнение другой работы.
Когда истечет заданный интервал времени, операционная система посылает процессу сигнал тревоги. Этот сигнал заставляет процесс приостановить выполняемую работу, сохранить в стеке состояние своих регистров и запустить специальную процедуру обработки сигнала тревоги, для того чтобы, к примеру, заново передать предположительно утраченное сообщение.
Когда обработчик сигнала завершит свою работу, запущенный процесс возобновится в том самом состоянии, которое было до поступления сигнала. Сигналы являются программными аналогами аппаратных прерываний. Они могут генерироваться в различных ситуациях, а не только по истечении времени, установленного в таймере. Многие аппаратные прерывания (например, выполнение недопустимой команды или обращение по неверному адресу) также транслируются процессу, при выполнении которого произошла ошибка.
Каждому пользователю, которому разрешено работать с системой, системным администратором присваивается идентификатор пользователя (User IDentification (UID)). Каждый запущенный процесс имеет UID того пользователя, который его запустил. Дочерние процессы имеют такой же UID, как и у родительского процесса. Пользователи могут входить в какую-нибудь группу, каждая из которых имеет собственный идентификатор группы (Group IDentification (GID)).
Пользователь с особым значением UID, называемый в UNIX суперпользователем (superuser), а в Windows администратором (administrator), имеет особые полномочия, позволяющие пренебрегать многими правилами защиты. В крупных компьютерных системах только системный администратор знает пароль, необходимый для получения прав суперпользователя, но многие обычные пользователи (особенно студенты) прикладывают немалые усилия, пытаясь отыскать бреши в системе, которые позволили бы им стать суперпользователем без пароля [5] .
Глава 11
Процессы и сигналы формируют главную часть операционной среды Linux. Они управляют почти всеми видами деятельности ОС Linux и UNIX-подобных компьютерных систем. Понимание того, как Linux и UNIX управляют процессами, сослужит добрую службу системным и прикладным программистам или системным администраторам.
В этой главе вы узнаете, как обрабатываются процессы в рабочей среде Linux и как точно установить, что делает компьютер в любой заданный момент времени. Вы также увидите, как запускать и останавливать другие процессы в ваших собственных программах, как заставить процессы отправлять и получать сообщения и как избежать процессов-зомби. В частности, вы узнаете о:
□ структуре процесса, его типе и планировании;
□ разных способах запуска новых процессов;
□ порождающих (родительских), порожденных (дочерних) процессах и процессах-зомби;
□ сигналах и их применении.
Что такое процесс?
Стандарты UNIX, а именно IEEE Std 1003.1, 2004 Edition, определяют процесс как «адресное пространство с одним или несколькими потоками, выполняющимися в нем, и системные ресурсы, необходимые этим потокам. Мы будем рассматривать потоки в главе 12, а пока будем считать процессом просто любую выполняющуюся программу.
Многозадачные системы, такие как Linux, позволяют многим программам выполняться одновременно. Каждый экземпляр выполняющейся программы создает процесс. Это особенно заметно в оконной системе, например Window System (часто называемой просто X). Как и ОС Windows, X предоставляет графический пользовательский интерфейс, позволяющий многим приложениям выполняться одновременно. Каждое приложение может отображаться в одном или нескольких окнах.
Будучи многопользовательской системой, Linux разрешает многим пользователям одновременно обращаться к системе. Каждый пользователь в одно и то же время может запускать много программ или даже несколько экземпляров одной и той же программы. Сама система выполняет в это время другие программы, управляющие системными ресурсами и контролирующие доступ пользователей.
Как вы видели в главе 4, выполняющаяся программа или процесс состоит из программного кода, данных, переменных (занимающих системную память), открытых файлов (файловых дескрипторов) и окружения. Обычно в системе Linux процессы совместно используют код и системные библиотеки, так что в любой момент времени в памяти находится только одна копия программного кода.
Структура процесса
Давайте посмотрим, как организовано сосуществование двух процессов в операционной системе. Если два пользователя neil и rick запускают в одно и то же время программу grep для поиска разных строк в различных файлах, применяемые для этого процессы могут выглядеть так, как показано на рис. 11.1.
Если вы сможете выполнить команду
как в приведенном далее коде, достаточно быстро и до того, как завершатся поиски строк, вывод будет выглядеть подобно следующим строкам:
UID PID PPID С STIME TTY TIME CMD
neil 102 92 0 18:24 tty4 00:00:00 grep kirk trek.txt
Каждому процессу выделяется уникальный номер, именуемый идентификатором процесса или PID. Обычно это положительное целое в диапазоне от 2 до 32 768. Когда процесс стартует, в последовательности выбирается следующее неиспользованное число. Когда все номера будут исчерпаны, выбор опять начнется с 2. Номер 1 обычно зарезервирован для специального процесса
который управляет другими процессами. Мы скоро вернемся к процессу
А пока вы видите, что двум процессам, запущенным пользователями neil и rick, выделены идентификаторы 101 и 102.
Код программы, которая будет выполняться командой
хранится в файле на диске. Обычно процесс Linux не может писать в область памяти, применяемую для хранения кода программы, поэтому программный код загружается в память как доступный только для чтения. На рис. 11.1 видно, что несмотря на то, что в данную область нельзя писать, она может безопасно использоваться совместно.
Системные библиотеки также можно совместно использовать. Следовательно, в памяти нужна, например, только одна копия функции
даже если многие выполняющиеся программы вызывают ее. Эта схема более сложная, но аналогичная той, которую используют для работы динамически подключаемые библиотеки в ОС Windows.
Как видно из приведенной схемы, дополнительное преимущество заключается в том, что дисковый файл, содержащий исполняемую программу
меньше, т.к. не включает программный код совместно используемой библиотеки. Возможно, для одной программы это не слишком ощутимый выигрыш, но извлечение часто используемых подпрограмм, к примеру, из стандартной библиотеки С экономит значительный объем для операционной системы в целом.
Конечно не все, что нужно программе, может быть совместно использовано. Например, переменные отдельно используются каждым процессом. В данном примере искомая строка, передаваемая команде
— это переменная
принадлежащая пространству данных каждого процесса. Эти пространства разделены и, как правило, не могут читаться другим процессом. Файлы, которые применяются в двух командах grep, тоже разные; у каждого процесса есть свой набор файловых дескрипторов, используемых для доступа к файлам.
Кроме того, у каждого процесса есть собственный стек, применяемый для локальных переменных в функциях и для управления вызовами функций и возвратом из них. У процесса также собственное окружение, содержащее переменные окружения, которые могут задаваться только для применения в данном процессе, например, с помощью функций
как было показано в главе 4. Процесс должен поддерживать собственный счетчик программы, запись того места, до которого он добрался за время выполнения, или поток исполнения. В следующей главе вы увидите, что процессы могут иметь несколько потоков исполнения.
Во многих системах Linux и некоторых системах UNIX существует специальный набор «файлов» в каталоге /proc. Это скорее специальные, чем истинные файлы, т.к. позволяют «заглянуть внутрь» процессов во время их выполнения, как если бы они были файлами в каталогах, В главе 3 мы приводили краткий обзор файловой системы /proc.
И наконец, поскольку Linux, как и UNIX, обладает системой виртуальной памяти, которая удаляет страницы кода и данных на жесткий диск, можно управлять гораздо большим количеством процессов, чем позволяет объем физической памяти.
Таблица процессов
Таблица процессов Linux подобна структуре данных, описывающей все процессы, загруженные в текущий момент, например, их PID, состояние и строку команды, разновидность информационного вывода команды
Операционная система управляет процессами с помощью их идентификаторов, PID, которые применяются как указатели в таблице процессов. У таблицы ограниченный размер, поэтому число процессов, поддерживаемых системой, ограничено. В первых системах UNIX оно равнялось 256 процессам. Более современные реализации значительно ослабили это ограничение и ограничены только объемом памяти, доступным для формирования элемента таблицы процессов.
Просмотр процессов
показывает выполняемые вами процессы, процессы, выполняемые другим пользователем, или все процессы в системе. Далее приведен еще один пример вывода:
UID PID PPID С STIME TTY TIME CMD
root 433 425 0 18:12 tty1 00:00:00 [bash]
rick 445 426 0 18:12 tty2 00:00:00 -bash
rick 456 427 0 18:12 tty3 00:00:00 [bash]
root 467 433 0 18:12 tty1 00:00:00 sh /usr/X11R6/bin/startx
root 474 467 0 18:12 tty1 00:00:00 xinit /etc/X11/xinit/xinitrc —
root 478 474 0 18:12 tty1 00:00:00 /usr/bin/gnome-session
root 487 1 0 18:12 tty1 00:00:00 gnome-smproxy —sm-client-id def
root 493 1 0 18:12 tty1 00:00:01 [enlightenment]
root 506 1 0 18:12 tty1 00:00:03 panel —sm-client-id defaults
root 508 1 0 18:12 tty1 00:00:00 xscreensaver -no-splash -timeout
root 510 1 0 18:12 tty1 00:00:01 gmc —sm-client-id default10
root 512 1 0 18:12 tty1 00:00:01 gnome-help-browser —sm-client-i
root 649 445 0 18:24 tty2 00:00:00 su
root 653 649 0 18:24 tty2 00:00:00 bash
neil 655 428 0 18:24 tty4 00:00:00 -bash
root 713 1 2 18:27 tty1 00:00:00 gnome-terminal
root 715 713 0 18:28 tty1 00:00:00 gnome-pty-helper
root 717 716 13 18:28 pts/0 00:00:01 emacs
root 718 653 0 18:28 tty2 00:00:00 ps -ef
Вывод отображает информацию о многих процессах, включая процессы, запущенные редактором Emacs в графической среде X ОС Linux. Например, столбец
показывает, с какого терминала стартовал процесс, столбец
показывает время ЦПУ, затраченное к данному моменту, а столбец
— команду, примененную для запуска процесса. Давайте познакомимся поближе с некоторыми из этих процессов.
neil 655 428 0 18:24 tty4 00:00:00 -bash
Начальная регистрация была произведена на консоли номер 4. Это просто консоль на данном компьютере. Выполняемая программа командной оболочки — это стандартная оболочка Linux,
root 467 433 0 18:12 tty1 00:00:00 sh /usr/X11R6/bin/startx
X Window System была запущена командой
Это сценарий командной оболочки, который запускает сервер X и выполняет некоторые начальные программы системы X.
root 717 716 13 18:28 pts/0 00:00:01 emacs
Этот процесс представляет окно в системе X, выполняющее программу Emacs. Он был запущен оконным диспетчером в ответ на запрос нового окна. Командной оболочке был назначен новый псевдотерминал pts/0 для считывания и записи.
root 512 1 0 18:12 tty1 00:00:01 gnome-help-browser —sm-client-i
Это обозреватель системы помощи среды GNOME, запущенный оконным диспетчером.
По умолчанию программа
выводит только процессы, поддерживающие подключение к терминалу, консоли, последовательной линии связи или псевдотерминалу. Другие процессы выполняются без взаимодействия с пользователем на терминале. Обычно это системные процессы, которые система Linux применяет для управления совместно используемыми ресурсами. Команду
можно применять для отображения всех таких процессов, использовав опцию
и запросив «полную» информацию с помощью опции
Точная синтаксическая запись команды
и формат вывода могут немного отличаться в разных системах. Версия GNU команды
применяемая в Linux, поддерживает опции, взятые из нескольких предшествующих реализаций
включая варианты из UNIX-систем BSD и ATпривлекательность» можно измерить.
Операционная система определяет приоритет процесса на основе значения «nice», по умолчанию равного 0, и поведения программы. Программы, выполняющиеся без пауз в течение долгих периодов, как правило, получают более низкие приоритеты. Программы, делающие паузы время от времени, например в ожидании ввода, получают награду. Это помогает сохранить отзывчивость программы, взаимодействующей с пользователем; пока она ждет какого-либо ввода от пользователя, система увеличивает ее приоритет, чтобы, когда программа будет готова возобновить выполнение, у нее был высокий приоритет. Задать значение
Источник: www.redov.ru
Управление процессами в ОС Unix
Процессы в операционной системе UNIX играют ключевую роль. От оптимальной настройки подсистемы управления процессами и числа одновременно выполняющихся процессов зависит загрузка ресурсов процессора, что в свою очередь имеет непосредственное влияние на производительность системы в целом.
Ядро операционной системы предоставляет задачам базовый набор услуг, определяемый интерфейсом системных вызовов. К ним относятся основные операции по работе с файлами, управление процессами и памятью, поддержка межпроцессного взаимодействия. Дополнительные функциональные возможности системы, т. е. услуги, которые она предоставляет пользователям, определяются активными процессами. От того, какие процессы выполняются в вашей системе, зависит, является ли она сервером базы данных или сервером сетевого доступа, средством проектирования или вычислительным сервером. Даже так называемые уровни выполнения системы (run levels), которые мы рассмотрим позже, представляют собой удобный способ определения группы выполняющихся процессов и, соответственно, функциональности системы.
Программы и процессы
Обычно программой называют совокупность файлов, будь то набор исходных текстов, объектных файлов или собственно выполняемый файл. Для того чтобы программа могла быть запущена на выполнение, операционная (система сначала должна создать окружение или среду выполнения задачи, куда относятся ресурсы памяти, возможность доступа к устройствам ввода/вывода и различным системным ресурсам, включая услуги ядра.
Это окружение (среда выполнения задачи) получило название процесса. Мы можем представить процесс как совокупность данных ядра системы, необходимых для описания образа программы в памяти и управления ее выполнением. Мы можем также представить процесс как программу в стадии ее выполнения, поскольку все выполняющиеся программы представлены в UNIX в виде процессов. Процесс состоит из инструкций, выполняемых процессором, данных и информации о выполняемой задаче, такой как размещенная память, открытые файлы и статус процесса.
В то же время не следует отождествлять процесс с программой хотя бы потому, что программа может породить более одного процесса. Простейшие программы, например, команда who(l) или cat(l), при выполнении представлены только одним процессом. Сложные задачи, например системные серверы (печати, FTP, Telnet), порождают в системе несколько одновременно выполняющихся процессов.
Операционная система UNIX является многозадачной. Это значит, что одновременно может выполняться несколько процессов, причем часть процессов могут являться образцами одной программы.
Выполнение процесса заключается в точном следовании набору инструкций, который никогда не передает управление набору инструкций другого процесса. Процесс считывает и записывает информацию в раздел данных и в стек, но ему недоступны данные и стеки других процессов.
В то же время процессы имеют возможность обмениваться друг с другом данными с помощью предоставляемой UNIX системой межпроцессного взаимодействия. В UNIX существует набор средств взаимодействия между процессами, таких как сигналы (signals), каналы (pipes), разделяемая память ( shared memory ), семафоры ( semaphores ), сообщения ( messages ) и файлы, но в остальном процессы изолированы друг от друга.
Типы процессов
Системные процессы. Системные процессы являются частью ядра и всегда расположены в оперативной памяти. Системные процессы не имеют соответствующих им программ в виде исполняемых файлов и запускаются особым образом при инициализации ядра системы.
Выполняемые инструкции и данные этих процессов находятся в ядре системы, таким образом они могут вызывать функции и обращаться к данным, недоступным для остальных процессов. Системными процессами являются: shed (диспетчер свопинга), vhand (диспетчер страничного замещения), bdfflush (диспетчер буферного кэша) и kmadaemon (диспетчер памяти ядра). К системным процессам следует отнести init, являющийся прародителем всех остальных процессов в UNIX. Хотя init не является частью ядра, и его запуск происходит из исполняемого файла (/etc/init), его работа жизненно важна для функционирования всей системы в целом.
Демоны. Демоны — это неинтерактивные процессы, которые запускаются обычным образом — путем загрузки в память соответствующих им программ (исполняемых файлов), и выполняются в фоновом режиме. Обычно демоны запускаются при инициализации системы (но после инициализации ядра,) и обеспечивают работу различных подсистем UNIX: системы терминального доступа, системы печати, системы сетевого доступа и сетевых услуг и т. п. Демоны не связаны ни с одним пользовательским сеансом работы и не могут непосредственно управляться пользователем. Большую часть времени демоны ожидают пока тот или иной процесс запросит определенную услугу, например, доступ к файловому архиву или печать документа.
Прикладные процессы. К прикладным процессам относятся все остальные процессы, выполняющиеся в системе. Как правило, это процессы, порожденные в рамках пользовательского сеанса работы. С такими процессами вы будете сталкиваться чаще всего. Например, запуск команды ls(l) породит соответствующий процесс этого типа.
Важнейшим пользовательским процессом является основной командный интерпретатор (login shell), который обеспечивает вашу работу в UNIX. Он запускается сразу же после вашей регистрации в системе, а завершение работы login shell приводит к отключению от системы.
Пользовательские процессы могут выполняться как в интерактивном, так и в фоновом режиме, но в любом случае время их жизни (и выполнения) ограничено сеансом работы пользователя. При выходе из системы все пользовательские процессы будут уничтожены.
Интерактивные процессы монопольно владеют терминалом, и пока такой процесс не завершит свое выполнение, пользователь не сможет работать другими приложениями.
Вы сможете работать с другими приложениями, если в функции интерактивного процесса входит запуск на выполнение других программ. Примером такой задачи является командный интерпретатор shell, который считывает пользовательский ввод и запускает соответствующие задачи.
Атрибуты процесса
Процесс в UNIX имеет несколько атрибутов, позволяющих операционной системе эффективно управлять его работой, важнейшие из которых рассмотрены ниже.
— Идентификатор процесса Process ID (PID). Каждый процесс имеет уникальный идентификатор PID, позволяющий ядру системы различать процессы. Когда создается новый процесс, ядро присваивает ему следующий свободный (т. е. не ассоциированный ни с каким процессом) идентификатор.
Присвоение идентификаторов происходит по возрастающий, т. е. идентификатор нового процесса больше, чем идентификатор процесса, созданного перед ним. Если идентификатор достиг максимального значения, следующий процесс получит минимальный свободный PID и цикл повторяется. Когда процесс завершает свою работу, ядро освобождает занятый им идентификатор.
— Идентификатор родительского процесса Parent Process ID (PPID). Идентификатор процесса, породившего данный процесс.
— Приоритет процесса (Nice Number).Относительный приоритет процесса, учитываемый планировщиком при определении очередности запуска. Фактическое же распределение процессорных ресурсов определяется приоритетом выполнения, зависящим от нескольких факторов, в частности от заданного относительного приоритета. Относительный приоритет не изменяется системой на всем протяжении жизни процесса (хотя может быть изменен пользователем или администратором) в отличие от приоритета выполнения, динамически обновляемого ядром.
— Терминальная линия (TTY). Терминал или псевдотерминал, ассоциированный с процессом, если такой существует. Процессы-демоны не имеют ассоциированного терминала.
— Реальный (RID) и эффективный (EUID) идентификаторы пользователя. Реальным идентификатором пользователя данного процесса является идентификатор пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа процесса к системным ресурсам (в первую очередь к ресурсам файловой системы). Обычно реальный и эффективный идентификаторы эквивалентны, т. е. процесс имеет в системе те же права, что и пользователь, запустивший его. Однако существует возможность задать процессу более широкие права, чем права пользователя путем установки флага SUID , когда эффективному идентификатору присваивается значение идентификатора владельца исполняемого файла (например, администратора).
— Реальный ( RGID ) и эффективный ( EGID ) идентификаторы группы. Реальный идентификатор группы равен идентификатору первичной или текущей группы пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа к системным ресурсам по классу доступа группы. Так же как и для эффективного идентификатора пользователя, возможна его установка равным идентификатору группы владельца исполняемого файла (флаг SGID ).
Команда ps (1) ( process status ) позволяет вывести список процессов, выполняющихся в системе, и их атрибуты:
Источник: www.bourabai.ru