Процессы в системе UNIX

2.2 Процессы в системе UNIX

2.2.1 Понятие и структура процесса

Процесс – это абстракция, применяемая в UNIX для описания выполняющейся программы. Это системный объект, посредством которого можно контролировать обращения программы к памяти, процессору и ресурсам ввода-вывода.

Компоненты процесса.

Процесс состоит из адресного пространства и набора структур данных, содержащихся внутри ядра. Адресное пространство представляет собой совокупность страниц памяти (базовые блоки размером, как правило, от 1 до 8 Кб), которые ядро выделило для выполнения процесса. В него загружается код процесса и используемые им библиотеки функций, переменные, стек и различная вспомогательная информация, необходимая ядру во время работы процесса. Поскольку в UNIX поддерживается концепция виртуальной памяти, страницы адресного пространства процесса в конкретный момент времени могут либо находиться в физической памяти целиком или частично, либо вообще отсутствовать там.

В структурах данных ядра хранится различная информация о каждом процессе. К наиболее важным относятся:

идентификационная информация о процессе;

статус процесса (неактивен, приостановлен, выполняется и т.п.);

информация для планировщика;

информация для организации межпроцессорного взаимодействия;

ссылки и связи процесса;

информация о времени исполнения и таймеры;

информация об используемых процессом ресурсах файловой системы;

информация о выделенном процессу адресном пространстве;

контекст процесса (информация о состоянии регистров процессора, стеке и т.д.)

Идентификатор процесса (PID).

Каждому новому процессу, созданному ядром, присваивается уникальный идентификатор (Process ID, PID). Большинство команд и системных вызовов, работающих с процессами, требуют указания конкретного идентификатора, чтобы был ясен контекст операции. Идентификационные номера присваиваются процессам по порядку по мере их создания. Когда номера заканчиваются, ядро сбрасывает счетчик в единицу и снова присваивает их по порядку, пропуская те идентификаторы, которые еще используются.

Идентификатор родительского процесса (PPID).

В UNIX нет системного вызова, который создавал бы новый процесс для выполнения конкретной программы. Вместо этого существующий процесс должен клонировать сам себя, чтобы породить новый процесс. Путь, по которому осуществляется клон, может отличаться от пути выполнения породившего его процесса.

Исходный процесс в терминологии UNIX называют родительским, а его клон – порожденным или дочерним. Помимо собственного идентификатора, каждый процесс имеет атрибут PPID (Parent Process ID), который равен идентификатору родительского процесса, породившего данный процесс.

Идентификатор пользователя (UID) и идентификатор группу (GID).

UID (User ID) – это идентификатор пользователя, создавшего данный процесс. Вносить изменения в процесс могут только его создатель (владелец) и пользователь root.

GID (Group ID) – это идентификатор группы, к которой относится владелец процесса.

Приоритет и значение nice.

От приоритета процесса зависит, какую долю времени ЦП он получит. Ядро применяет динамический алгоритм назначения приоритетов, учитывающий, сколько времени ЦП уже использовал процесс и сколько времени он ожидает своей очереди. Кроме того, учитывается заданный административным путем так называемый фактор уступчивости (устанавливается с помощью команды nice), определяющий, в какой степени программа может «делиться» процессором с другими программами. Чем выше значение nice, тем «уступчивее» программа.

Управляющий терминал.

Большинство процессов имеют связанный с ними управляющий терминал. Он определяет базовую конфигурацию стандартных каналов ввода, вывода и ошибок. Когда пользователь вводит какую-либо команду в интерпретаторе shell, его терминал, как правило, становится управляющим терминалом процесса. От управляющего терминала также зависит распределение сигналов.

2.2.3 Создание новых процессов

Новые процессы создаются в Linux методом «клонирования» какого-то уже существующего процесса, путем вызова системных функций clone() и fork(). Процедура порождения нового процесса выполняется в режиме ядра и происходит следующим образом.

Создается новая структура в таблице процессов ядра и содержание такой же структуры старого (или текущего) процесса копируется в новую структуру.

Назначается идентификатор (PID) нового процесса. PID – это уникальное положительное число, которое присваивается каждому процессу при его рождении. Именно по этим идентификаторам система различает процессы.

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

После того, как процесс создан, запускается выполняемая им программа с помощью одного из вариантов системного вызова exec. Параметрами функции exec является имя выполняемого файла и, если нужно, параметры, которые будут переданы этой программе. Программа из указанного файла загружается в адресное пространство процесса, порожденного с помощью fork(), счетчик команд устанавливается в начальное значение и вновь созданный процесс переходит в режим ожидания того момента, когда планировщик выделит ему время центрального процессора.

В том процессе, откуда вызывались функции fork() и exec, управление передается в точку возврата из системного вызова и выполнение этого процесса продолжается. Родительский процесс может дожидаться окончания выполнения всех своих процессов-потомков с помощью системного вызова wait.

При чтении описания процедуры создания нового процесса может возникнуть вопрос: а зачем нужно копировать в новый процесс все данные процесса-родителя (например, код программы) и не слишком ли много времени займет копирование. Ответ на этот вопрос заключается в том, что при создании копии процесса его индивидуальные данные физически никуда не копируются. Вместо этого используется метод copy-on-write (копирование при записи): страницы данных обоих процессов особым образом помечаются, и только тогда, когда новый процесс пытается изменить содержимое какой-либо своей страницы, она дублируется.