Процессы в Linux

Владимир Мешков

Характерной чертой современных операционных систем является поддержка многозадачности – параллельного выполнения нескольких задач (task), что обеспечивается главным образом аппаратными возможностями центрального процессора. Под задачей понимают экземпляр программы, которая находится в стадии выполнения. Синонимом термина «задача» является термин «процесс», который впервые начали применять разработчики системы MULTICS в 60-х годах прошлого века.

Общие сведения о процессах

Процесс состоит из адресного пространства и набора структур данных, содержащихся внутри ядра операционной системы. Адресное пространство представляет собой совокупность страниц памяти, которую ядро выделило для выполнения процесса. Оно содержит сегменты кода для программы, которую выполняет процесс, используемые процессом переменные, стек процесса и различную вспомогательную информацию, необходимую ядру во время работы процесса. В структурах данных ядра хранится различная информация о каждом процессе. К наиболее важным сведениям относятся:

n  таблица распределения памяти процесса;

n  текущий статус процесса;

n  приоритет выполнения процесса;

n  информация о ресурсах, которые использует процесс;

n  владелец процесса.

Совокупность всех процессов, выполняющихся в системе, образует иерархическую структуру, подобную дереву каталогов файловой системы. На вершине дерева процессов находится управляющий процесс init, являющийся предком всех системных и пользовательских процессов.

С каждым процессом связан набор атрибутов, которые помогают системе управлять выполнением и планированием процессов. С точки зрения системного администрирования интерес представляют следующие атрибуты:

n  Идентификатор процесса (PID). Каждому новому процессу ядро присваивает уникальный идентификационный номер. В любой момент времени идентификатор является уникальным, хотя после завершения процесса он может использоваться снова для другого процесса. Некоторые идентификаторы зарезервированы системой для особых процессов. Так, процесс с идентификатором 1 – это процесс инициализации init, являющийся предком всех других процессов в системе.

n  Идентификатор родительского процесса (PPID). Новый процесс создается путем клонирования одного из уже существующих процессов. Исходный процесс в терминологии UNIX называется родительским, а его клон – порожденным. Помимо собственного идентификатора каждый процесс имеет атрибут PPID, т.е. идентификатор своего родительского процесса.

n  Идентификатор владельца (UID) и эффективный идентификатор владельца (EUID). UID – это идентификационный номер пользователя, который создал данный процесс. Вносить изменения в процесс могут только его создатель и привилегированный пользователь. EUID – это «эффективный» UID процесса. EUID используется для того, чтобы определить, к каким ресурсам и файлам у процесса есть право доступа. У большинства процессов UID и EUID будут одинаковыми. Исключение составляют программы, у которых установлен бит смены идентификатора пользователя.

n  Идентификатор группы (GID) и эффективный идентификатор группы (EGID). GID – это идентификационный номер группы данного процесса. EGID связан с GID также, как EUID с UID.

n  Приоритет. От приоритета процесса зависит, какую часть времени центрального процессора он получит.

n  Текущий каталог, корневой каталог, переменные программного окружения.

n  Управляющий терминал (controlling terminal).

Жизненный цикл процесса

Все процессы, кроме init, создаются при помощи системного вызова fork (процесс init создается во время начальной загрузки системы). Вызывая функцию fork, процесс создает свой дубликат, называемый дочерним процессом. Дочерний процесс является практически точной копией родительского, но имеет следующие отличия:

n  у дочернего процесса свой PID;

n  PPID дочернего процесса равен PID родителя.

После выполнения fork родительский процесс может посредством системного вызова wait или waitpid приостановить свое выполнение до завершения порожденного (дочернего) процесса или продолжать свое выполнение независимо от дочернего, а дочерний процесс в свою очередь может запустить на выполнение новую программу при помощи одного из системных вызовов семейства exec.

Совместное применение системных вызовов fork и exec представляет мощный инструмент для программиста. Благодаря ветвлению при использовании вызова exec в дочернем процессе может выполняться другая программа. Таким образом, один процесс может создавать несколько других процессов для параллельного выполнения нескольких программ, и поскольку каждый порожденный процесс выполняется в собственном адресном пространстве, статус его выполнения не влияет на родительский процесс.

Процесс завершает выполнение при помощи системного вызова exit. Аргументом этого вызова является код статуса завершения процесса. Младшие восемь бит статуса доступны родительскому процессу при условии, что он выполнил системный вызов wait. По соглашению нулевой код статуса завершения означает, что процесс завершил выполнение успешно, а ненулевой свидетельствует о неудаче.

Следующий пример демонстрирует работу вызова fork и порядок обработки кода статуса завершения процесса:

#include <stdio.h>

#include <errno.h>

#include <sys/wait.h>