Процессы

Процесс характеризуется набором атрибутов и идентификаторов. Важнейшим из них является идентификатор процесса PID и идентификатор родительского процесса PPID. PID является именем процесса в ОС. Существует еще 4 идентификатора, которые определяют доступ к системным ресурсам.

Идентификатор пользователя – UID.

Эффективный идентификатор пользователя – ЕUID

Идентификатор группы GID

Эффективный идентификатор группы ЕGID.

Процессы с идентификаторами SUID и SGID ни при каких обстоятельствах не должны порождать других процессов.

Процесс при реализации использует разные системные ресурсы – память, процессор, возможности файловой системы и ввод/вывод. ОС создает иллюзию одновременного исполнения нескольких процессов (предполагается, что имеется только один процессор), распределяя ресурсы между ними и препятствуя злоупотреблениям.

Выполнение процесса может происходить в двух режимах – в режиме ядра (kernel mode) и в режиме пользователя (user mode). В режиме пользователя процесс исполняет команды прикладной программы, доступные на непривилегированном уровне. Для получения каких-либо услуг ядра процесс делает системный вызов. При этом могут исполняться инструкции ядра, но от имени процесса, реализующего системный вызов. Выполнение процесса переходит в режим ядра, что защищает адресное пространство ядра. Следует иметь в виду, что некоторые инструкции, например, изменение содержимого регистров управления памятью, возможно только в режиме ядра.

По этой причине образ процесса состоит из двух частей: данных режима ядра и режима пользователя. Каждый процесс представляется в системе двумя основными структурами данных – proc и user, описанными в файлах <sys/proc.h> и <say/user.h>, соответственно. Структура proc является записью системной таблицы процессов, которая всегда находится в оперативной памяти. Запись этой таблицы для активного в данный момент процесса адресуется системной переменной curproc. Каждый раз при переключении контекста, когда ресурсы процессора передаются другому процессу, соответственно изменяется содержимое переменной curproc, которая теперь будет указывать на proc активного процесса.

Структура user, называемая также u-area или u block, содержит данные о процессе, которые нужны ядру при выполнении процесса. В отличие от структуры proc, адресуемой с помощью указателя curproc, данные user размещаются в определенном месте виртуальной памяти ядра и адресуются через переменную u. u area также содержит стек фиксированного размера – системный стек или стек ядра (kernel stack). При выполнении процесса в режиме ядра операционная система использует стек, а не стек процесса.

Современные процессоры поддерживают разбивку адресного пространства на области переменного размера – сегменты, и области фиксированного объема – страницы.

Процессоры Intel позволяют разделить память на несколько логических сегментов. Виртуальный адрес при этом состоит из двух частей – селектора сегмента и смещения в пределах сегмента. Поле селектора INDEX указывает на дескриптор сегмента, где записано его положение, размер и права доступа RPL (Descriptor Privilege Level).

При запуске программы командный интерпретатор порождает процесс, который наследует все 4 идентификатора и имеет те же права, что и shell.Так как в сеансе пользователя прародителем всех процессов является login shell, то их идентификаторы будут идентичны. При запуске программы сначала порождается новый процесс, а затем загружается программа.

Процесс порождается с помощью системного вызова fork:

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

Порожденный процесс (дочерний) является точной копией родительского процесса. Дочерний процесс наследует следующие атрибуты:

идентификатор пользователя и группы

все указатели и дескрипторы файлов

диспозицию сигналов и их обработчики

текущий и корневой каталог

переменные окружения

маску файлов

ограничения, налагаемые на процесс

управляющий терминал

Конфигурация виртуальной памяти также сохраняется (те же сегменты программ, данных, стека и пр.). После завершения вызова fork оба процесса будут выполнять одну и ту же инструкцию. Отличаются эти процессы PID, PPID (идентификатор родительского процесса), дочерний процесс не имеет сигналов, ждущих доставки, отличаются и код, возвращаемый системным вызовом fork (родителю возвращается PID дочернего процесса, а дочернему - 0).

Если код =0, то возврат осуществляется только в родительский процесс.

Для загрузки исполняемого файла используется вызов exec (аргумент – запускаемая программа). При этом существующий процесс замещается новым, соответствующим исполняемому файлу.

идентификаторы PID и PPID

все указатели и дескрипторы файлов, для которых не установлен флаг FD_CLOEXEC

идентификаторы пользователя и группы

текущий и корневой каталог

переменные окружения

маску файлов

ограничения, налагаемые на процесс

управляющий терминал

Процессы могут уведомлять друг друга о произошедших событиях с помощью сигналов, каждый из которых имеет символьное имя и номер. Сигнал может инициировать попытка деления на 0 или обращение по недопустимому адресу.

ОС UNIX создает иллюзию одновременного исполнения процессов, стараясь эффективно распределять между ними имеющиеся ресурсы. Выполнение процесса возможно в режиме ядра (kernel mode) и в режиме задачи (user mode). В последнем случае процесс реализует инструкции прикладной программы, допустимые на непривилегированном уровне защиты процессора. При этом системные структуры данных недоступны. Для получения таких данных процесс делает системный вызов (на время происходит переход процесса в режим ядра).

Каждый процесс представляется в системе двумя основными структурами данных – proc и user, описанными в файлах <sys/proc.h> и <sys/user.h>. Структура proc представляет собой системную таблицу процессов, которая находится в оперативной памяти резидентно. Текущий процесс адресуется системной переменной curproc. Структура user размещается в виртуальной памяти. Область user содержит также системный стек и стек ядра.

Распределение оперативной памяти всегда бывает динамическим. Процессы выполняются в своем виртуальном адресном пространстве. Виртуальные адреса преобразуются в физические на аппаратном уровне при активном участии ОС. Объем виртуальной памяти может значительно превышать объем физической. Процессоры обычно поддерживают разделение адресного пространства области переменного размера – сегменты и фиксированного размера - страницы.

Для каждой страницы может быть задано собственная схема преобразования виртуальных адресов в физические. Intel поддерживает работу с сегментами (сегментные регистры), где задается селектор сегмента (дескриптор) и смещение в пределах сегмента.

Распределение ресурсов процессора осуществляется планировщиком, который выделяет кванты времени каждому из активных процессов. Здесь приложения делятся на три класса:

Интерактивные

Фоновые

Реального времени

Каждый процесс в UNIX имеет свой контекст (контекст сохраняется при прерывании процесса). Контекст определяется следующими составляющими:

Адресное пространство процесса в режиме user

Управляющая информация (proc и user).

Окружение процесса (в виде пар переменная=значение).

Аппаратный контекст (регистры процессора)

Работа планировщика UNIX основана на использовании приоритетов процессов. Если процесс имеет наивысший приоритет и готов к работе, планировщик прервет работу текущего процесса, если у него более низкий приоритет, даже при условии, что он не выбрал до конца свой квант времени. Работа программы ядра обычно не прерывается. Это касается и процессов user, если они в данный момент осуществляют системный вызов.

Каждый процесс имеет два атрибута приоритета – текущий и относительный (nice). Первый служит для реализации планирования, второй присваивается при порождении процесса и воздействует на значение текущего приоритета. Текущий приоритет может характеризоваться кодами 0 (низший) – 127 (высший). Для режима user используются коды приоритета 0-65, а для ядра – 66-94 (системный диапазон).

Процессы с кодами 96-127 имеют фиксированный приоритет, который не может изменить ОС (обычно служат для процессов реального времени).

Процессу, ожидающему освобождения какого-то ресурса, система присваивает значение кода приоритета сна, выбираемое из диапазона системных приоритетов (в версии BSD большему коду соответствует меньший приоритет). Процессы типа “ожидание ввода с клавиатуры” имеют высокий приоритет сна и им сразу предоставляется ресурс процессора.

Фоновые же процессы, забирающие много времени ЦПУ, получают относительно низкий приоритет.

Каждую секунду ядро пересчитывает текущие значения кодов приоритета для процессов, ожидающих запуска (коды<65), повышая вероятность получения ими требуемого ресурса. Так 4.3BSD использует для расчета приоритета процесса следующую формулу:

p_cpu = p_cpu*(2*load)/(2*load+1), где load – среднее число процессов в очереди за последнюю секунду. В результате после долгого ожидания даже низкоприоритетный процесс имеет определенный шанс получить требуемый ресурс.

Ядро генерирует и посылает процессу сигнал в ответ на определенные события, вызванные самим процессом, другим процессом, прерыванием (например, терминальным) или внешним событием. Это могут быть Alarm, нарушение по выделенным квотам, особые ситуации, например деление на нуль и т.д. Некоторые сигналы можно заблокировать, отложить их обработку, или проигнорировать, для других (например, SIGKILL и SIGSTOP) это невозможно.

Взаимное влияние процессов в UNIX минимизировано (многозадачность!), но система была бы неэффективной, если бы она не позволяла процессам обмениваться данными и сигналами (IPC – Inter Process Communications). Для реализации этой задачи в UNIX предусмотрены:

каналы

сигналы

FIFO (First-In-First-Out - именованные каналы)

очереди сообщений

семафоры

совместно используемые области памяти

сокеты

Для создания канала используется системный вызов pipe int pipe(int *filedes); который возвращает два дескриптора файла filedes[0] – для записи в канал и filedes[1] для чтения из канала. Когда один процесс записывает данные в filedes[0], другой получает их из filedes[1]. Здесь уместен вопрос, как этот другой процесс узнает дескриптор filedes[1]?

Нужно вспомнить, что дочерний процесс наследует все дескрипторы файлов родительского процесса. Таким образом, к дескрипторам имеет доступ процесс, сформировавший канал, и все его дочерние процессы, что позволяет работать каналам только между родственными процессами.

Для независимых процессов такой метод обмена недоступен. Канальный обмен может быть запущен и с консоли. Например:

cat file.txt | wc

Здесь символ | олицетворяет создание канала между выводом из файла file.txt и программой wc, подсчитывающей число символов в словах. Процессы эти не являются независимыми, так как оба порождены процессом shell.

Метод FIFO (в BSD не реализован) сходен с канальным обменом, так как также организует лишь однонаправленный обмен. Такие каналы имеют имена, что позволяет их применять при обмене между независимыми процессами. FIFO – это отдельный тип файла в файловой системе UNIX. Для формирования FIFO используется системный вызов mknod.

int mknod(char *pathname, int mode, int dev);

где pathname – имя файла (FIFO),

mode – флаги владения и прав доступа,

dev – при создании FIFO игнорируется.

Допускается создание FIFO и из командной строки: mknod name p.

FIFO также как и обычные канала работают с соблюдением следующих правил.

Если из канала берется меньше байтов, чем там содержится, остальные остаются там для последующего чтения.

При попытке прочесть больше байт, чем имеется в канале, читающий процесс должен соответствующим образом обработать возникшую ситуацию.

Если в канале ничего нет и ни один процесс не открыл его на запись, при чтении будет получено нуль байтов. Если один или более процессов открыло канал на запись, вызов read будет заблокирован до появления данных.

В случае записи в канал несколькими процессами, эти данные не перемешиваются.

При попытке записать большее число байтов, чем это позволено каналом или FIFO, вызов write блокируется до освобождения нужного места. Если процесс предпринимает попытку записи в канал, не открытый ни одним из процессов для чтения, процессу посылается сигнал SIGPIPE, а вызов write присылает 0 с кодом ошибки errno=EPIPE.

Содержание раздела