Глава 11. Взаимодействие процессов

Наличие механизмов взаимодействия дает произвольным процессам возможность осуществлять обмен данными и синхронизировать свое выполнение с другими процессами. Мы уже рассмотрели несколько форм взаимодействия процессов, такие как канальная связь, использование поименованных каналов и посылка сигналов. Каналы (непоименованные) имеют недостаток, связанный с тем, что они известны только потомкам процесса, вызвавшего системную функцию pipe: не имеющие родственных связей процессы не могут взаимодействовать между собой с помощью непоименованных каналов. Несмотря на то, что поименованные каналы позволяют взаимодействовать между собой процессам, не имеющим родственных связей, они не могут использоваться ни в сети (см. главу 13), ни в организации множественных связей между различными группами взаимодействующих процессов: поименованный канал не поддается такому мультиплексированию, при котором у каждой пары взаимодействующих процессов имелся бы свой выделенный канал. Произвольные процессы могут также связываться между собой благодаря посылке сигналов с помощью системной функции kill, однако такое "сообщение" состоит из одного только номера сигнала.

В данной главе описываются другие формы взаимодействия процессов. В начале речь идет о трассировке процессов, о том, каким образом один процесс следит за ходом выполнения другого процесса, затем рассматривается пакет IPC: сообщения, разделяемая память и семафоры. Делается обзор традиционных методов сетевого взаимодействия процессов, выполняющихся на разных машинах, и, наконец, дается представление о "гнездах", применяющихся в системе BSD. Вопросы сетевого взаимодействия, имеющие специальный характер, такие как протоколы, адресация и др., не рассматриваются, поскольку они выходят за рамки настоящей работы.

11.1 Трассировка процессов

В системе UNIX имеется простейшая форма взаимодействия процессов, используемая в целях отладки, — трассировка процессов. Процесс-отладчик, например sdb, порождает трассируемый процесс и управляет его выполнением с помощью системной функции ptrace, расставляя и сбрасывая контрольные точки, считывая и записывая данные в его виртуальное адресное пространство. Трассировка процессов, таким образом, включает в себя синхронизацию выполнения процесса-отладчика и трассируемого процесса и управление выполнением последнего.

if ((pid = fork()) == 0)

 /* потомок — трассируемый процесс */

 ptrace(0, 0, 0, 0);

 exec("имя трассируемого процесса");

/* продолжение выполнения процесса-отладчика */

for (;;)

 wait((int *) 0);

 read(входная информация для трассировки команд);

 ptrace(cmd, pid, …);

 if (условие завершения трассировки) break;

Рисунок 11.1. Структура процесса отладки

Псевдопрограмма, представленная на Рисунке 11.1, имеет типичную структуру отладочной программы. Отладчик порождает новый процесс, запускающий системную функцию ptrace, в результате чего в соответствующей процессу-потомку записи таблицы процессов ядро устанавливает бит трассировки. Процесс-потомок предназначен для запуска (exec) трассируемой программы. Например, если пользователь ведет отладку программы a.out, процесс-потомок запускает файл с тем же именем. Ядро отрабатывает функцию exec обычным порядком, но в финале замечает, что бит трассировки установлен, и посылает процессу-потомку сигнал прерывания. На выходе из функции exec, как и на выходе из любой другой функции, ядро проверяет наличие сигналов, обнаруживает только что посланный сигнал прерывания и исполняет программу трассировки процесса как особый случай обработки сигналов. Заметив установку бита трассировки, процесс-потомок выводит своего родителя из состояния приостанова, в котором последний находится вследствие исполнения функции wait, сам переходит в состояние трассировки, подобное состоянию приостанова (но не показанное на диаграмме состояний процесса, см. Рисунок 6.1), и выполняет переключение контекста.

Тем временем в обычной ситуации процесс-родитель (отладчик) переходит на пользовательский уровень, ожидая получения известия от трассируемого процесса. Когда соответствующее известие процессом-родителем будет получено, он выйдет из состояния ожидания (wait), прочитает (read) введенные пользователем команды и превратит их в серию обращений к функции ptrace, управляющих трассировкой процесса-потомка. Синтаксис вызова системной функции ptrace:

ptrace(cmd, pid, addr, data);

где в качестве cmd указываются различные команды, например, чтения данных, записи данных, возобновления выполнения и т. п., pid — идентификатор трассируемого процесса, addr — виртуальный адрес ячейки в трассируемом процессе, где будет производиться чтение или запись, data — целое значение, предназначенное для записи. Во время исполнения системной функции ptrace ядро проверяет, имеется ли у отладчика потомок с идентификатором pid и находится ли этот потомок в состоянии трассировки, после чего заводит глобальную структуру данных, предназначенную для передачи данных между двумя процессами. Чтобы другие процессы, выполняющие трассировку, не могли затереть содержимое этой структуры, она блокируется ядром, ядро записывает в нее параметры cmd, addr и data, возобновляет процесс-потомок, переводит его в состояние "готовности к выполнению" и приостанавливается до получения от него ответа. Когда процесс-потомок продолжит свое выполнение (в режиме ядра), он исполнит соответствующую (трассируемую) команду, запишет результат в глобальную структуру и "разбудит" отладчика. В зависимости от типа команды потомок может вновь перейти в состояние трассировки и ожидать поступления новой команды или же выйти из цикла обработки сигналов и продолжить свое выполнение. При возобновлении работы отладчика ядро запоминает значение, возвращенное трассируемым процессом, снимает с глобальной структуры блокировку и возвращает управление пользователю.

Если в момент перехода процесса-потомка в состояние трассировки отладчик не находится в состоянии приостанова (wait), он не обнаружит потомка, пока не обратится к функции wait, после чего немедленно выйдет из функции и продолжит работу по вышеописанному плану.

int data[32];

main()

 int i;

 for (i = 0; i ‹ 32; i++) printf("data[%d] = %d", i, data[i]);

 printf("ptrace data addr 0x%x", data);

Рисунок 11.2. Программа trace (трассируемый процесс)

#define TR_SETUP 0

#define TR_WRITE 5

#define TR_RESUME 7

int addr;

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

 int i, pid;

 sscanf(argv[1], "%x", &addr);

 if ((pid = fork() == 0)

  ptrace(TR_SETUP, 0, 0, 0);

  execl("trace", "trace", 0);

  exit();

 

 for (i = 0; i ‹ 32, i++)

  wait((int *) 0);

  /* записать значение i в пространство процесса с идентификатором pid по адресу, содержащемуся в переменной addr */

  if (ptrace(TR_WRITE, pid, addr, i) == -1) exit();

  addr += sizeof(int);

 

 /* трассируемый процесс возобновляет выполнение */

 ptrace(TR_RESUME, pid, 1, 0);

Рисунок 11.3. Программа debug (трассирующий процесс)

Рассмотрим две программы, приведенные на Рисунках 11.2 и 11.3 и именуемые trace и debug, соответственно. При запуске программы trace с терминала массив data будет содержать нулевые значения; процесс выводит адрес массива и завершает работу. При запуске программы debug с передачей ей в качестве параметра значения, выведенного программой trace, происходит следующее: программа запоминает значение параметра в переменной addr, создает новый процесс, с помощью функции ptrace подготавливающий себя к трассировке, и запускает программу trace. На выходе из функции exec ядро посылает процессу-потомку (назовем его тоже trace) сигнал SIGTRAP (сигнал прерывания), процесс trace переходит в состояние трассировки, ожидая поступления команды от программы debug. Если процесс, реализующий программу debug, находился в состоянии приостанова, связанного с выполнением функции wait, он "пробуждается", обнаруживает наличие порожденного трассируемого процесса и выходит из функции wait. Затем процесс debug вызывает функцию ptrace, записывает значение переменной цикла i в пространство данных процесса trace по адресу, содержащемуся в переменной addr, и увеличивает значение переменной addr; в программе trace переменная addr хранит адрес точки входа в массив data. Последнее обращение процесса debug к функции ptrace вызывает запуск программы trace, и в этот момент массив data содержит значения от 0 до 31. Отладчики, подобные sdb, имеют доступ к таблице идентификаторов трассируемого процесса, из которой они получают информацию об адресах данных, используемых в качестве параметров функции ptrace.

Использование функции ptrace для трассировки процессов является обычным делом, но оно имеет ряд недостатков.

• Для того, чтобы произвести передачу порции данных длиною в слово между процессом-отладчиком и трассируемым процессом, ядро должно выполнить четыре переключения контекста: оно переключает контекст во время вызова отладчиком функции ptrace, загружает и выгружает контекст трассируемого процесса и переключает контекст вновь на процесс-отладчик по получении ответа от трассируемого процесса. Все вышеуказанное необходимо, поскольку у отладчика нет иного способа получить доступ к виртуальному адресному пространству трассируемого процесса, отсюда замедленность протекания процедуры трассировки.

• Процесс-отладчик может вести одновременную трассировку нескольких процессов-потомков, хотя на практике эта возможность используется редко. Если быть более критичным, следует отметить, что отладчик может трассировать только своих ближайших потомков: если трассируемый процесс-потомок вызовет функцию fork, отладчик не будет иметь контроля над порождаемым, внучатым для него, процессом, что является серьезным препятствием в отладке многоуровневых программ. Если трассируемый процесс вызывает функцию exec, запускаемые образы задач тоже подвергаются трассировке под управлением ранее вызванной функции ptrace, однако отладчик может не знать имени исполняемого образа, что затрудняет проведение символьной отладки.

• Отладчик не может вести трассировку уже выполняющегося процесса, если отлаживаемый процесс не вызвал предварительно функцию ptrace, дав тем самым ядру свое согласие на трассировку. Это неудобно, так как в указанном случае выполняющийся процесс придется удалить из системы и перезапустить в режиме трассировки.

• Не разрешается трассировать setuid-программы, поскольку это может привести к нарушению защиты данных (ибо в результате выполнения функции ptrace в их адресное пространство производилась бы запись данных) и к выполнению недопустимых действий. Предположим, например, что setuid-программа запускает файл с именем "privatefile". Умелый пользователь с помощью функции ptrace мог бы заменить имя файла на "/bin/sh", запустив на выполнение командный процессор shell (и все программы, исполняемые shell'ом), не имея на то соответствующих полномочий. Функция exec игнорирует бит setuid, если процесс подвергается трассировке, тем самым адресное пространство setuid-программ защищается от пользовательской записи.

Киллиан [Killian 84] описывает другую схему трассировки процессов, основанную на переключении файловых систем (см. главу 5). Администратор монтирует файловую систему под именем "/proc"; пользователи идентифицируют процессы с помощью кодов идентификации и трактуют их как файлы, принадлежащие каталогу "/proc". Ядро дает разрешение на открытие файлов, исходя из кода идентификации пользователя процесса и кода идентификации группы. Пользователи могут обращаться к адресному пространству процесса путем чтения (read) файла и устанавливать точки прерываний путем записи (write) в файл. Функция stat сообщает различную статистическую информацию, касающуюся процесса. В данном подходе устранены три недостатка, присущие функции ptrace. Во-первых, эта схема работает быстрее, поскольку процесс-отладчик за одно обращение к указанным системным функциям может передавать больше информации, чем при работе с ptrace. Во-вторых, отладчик здесь может вести трассировку совершенно произвольных процессов, а не только своих потомков. Наконец, трассируемый процесс не должен предпринимать предварительно никаких действий по подготовке к трассировке; отладчик может трассировать и существующие процессы. Возможность вести отладку setuid-программ, предоставляемая только суперпользователю, реализуется как составная часть традиционного механизма защиты файлов.