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, которое ядро выделило для выполнения процесса. Адресное пространство 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:

• таблица распределения памяти процесса;

• текущий статус процесса;

• приоритет выполнения процесса;

• информация о ресурсах, которые использует процесс;

• 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 все 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:

1. Идентификатор процесса (PID).

Каждому новому процессу ядро присваивает уникальный идентификационный номер. В любой момент времени идентификатор процесса 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.

2. 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.

3. Идентификатор владельца (UID) и эффективный идентификатор владельца.

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.

4. Идентификатор группы GID и эффективный идентификатор группы (EGID.

GID - это идентификационный номер группы данного процесса. EGID связан с GID также, как EUID с UID.

5. Приоритет.

6. Текущий каталог, корневой каталог, переменные программного окружения,управляющий терминал (controlling terminal)

Системные вызовы fork() и ехес()

Под процессом в Linux понимается программа, которая выполняется в отдельном виртуальном адресном пространстве. Когда пользователь регистрируется в системе, под него автоматически создается процесс, в котором выполняется оболочка (shell), например, /bin/bash.

В Linux поддерживается классическая схема мультипрограммирования. При этом 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 другого процесса (или записать в нее) 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). Нитями также называют «легковесные» процессы. Другими словами, нить – это процесс, выполняемый в виртуальной памяти, которая используется вместе с другими нитями одного и того же «тяжеловесного» процесса. Такой «тяжеловесный процесс» обладает отдельной виртуальной памятью и может иметь несколько «легковесных» процессов.

Потоки (или нити) позволяют решать в рамках одной программы одновременно несколько задач.

Операционная система предоставляет программе некоторый интервал процессорного времени. Когда программа переходит в режим ожидания какого-либо события (например, сигнала) или освобождает процессор, операционная система передает управление другой программе. Распределяя время центрального процессора, операционная система распределяет его не между программами, а между потоками. Исходя из всего этого, потоки - это наборы команд, имеющие возможность получать время процессора. Время процессора выделяется квантами. Квант - это минимальное время, на протяжении которого поток (нить) может использовать процессор. Когда вы вводите команду, интерпретатор производит поиск указанной программы в каталогах, которые перечислены при определении переменной окружения PATH. При этом будет выполнена первая найденная программа с указанным именем. 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. Точка входа для каждой среды разработки различна. Запущенная программа тоже может создать процесс, т.е. запустить какую-то программу и ее выполнение тоже начнется с функции main. Затем с помощью системного вызова fork() создается адресное пространство - подготавливается «место» для нового процесса, а потом с помощью вызова ехес() в это адресное пространство загружается программа. Таким образом, каждый новый процесс выполняется в своей индивидуальной среде.

Для создания процессов используется системный вызов: fork(). Вызов fork() создает новое адресное пространство, которое полностью идентично адресному пространству основного процесса. Другими словами, вызов fork() создает новый процесс. После выполнения этого системного вызова вы получаете 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 процесс создан, можно запустить в нем программу с помощью вызова exec. Параметрами функции exec являются 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 следующий фрагмент программы:

i f (fork()==0) wait<0);

else execl("ls", "Is", 0); /* порожденный процесс */

Теперь рассмотрим более подробно, что же делается при выполнении вызова fork():

1. Выделяется память для описателя нового процесса в таблице процессов.

2. Назначается идентификатор процесса PID.

3. Создается логическая копия процесса, который выполняет fork() — полное копирование содержимого виртуальной памяти родительского процесса, копирование составляющих ядерного статического и динамического контекстов процесса-предка.

4. Увеличиваются счетчики открытия файлов (порожденный процесс наследует все открытые файлы родительского процесса).

5. Возвращается PID в точку возврата из системного вызова в родительском процессе и 0 - в процессе-потомке.

С помощью вызова ехес() в это адресное пространство загружается программа.