Instrukcja do laboratorium Systemów Operacyjnych

(semestr drugi)

wiczenie drugie

Ć

Temat: Procesy i sygna y w Linuksie.

ł

Opracowanie:

mgr in . Arkadiusz Chrobot

ż

Wprowadzenie

1. Budowa procesu w Uniksie.

W systemach uniksowych (w tym w Linuksie) przestrzeń procesu u ytkownika

ż

mo na

ż

podzielić na dwa konteksty: kontekst u ytkownika

ż

i kontekst j dra.

ą

Pierwszy z nich mo e

ż być podzielony na sześć obszarów: tekstu, sta ych,

ł

zmiennych

zainicjowanych, zmiennych niezainicjowanych, sterty i stosu. Drugi zawiera

wy cznie

łą

dane. Obszar tekstu zawiera rozkazy maszynowe, które są wykonywane

przez sprz t.

ę

Ten obszar jest tylko do odczytu, a wi c

ę mo e

ż

go wspó dzieli

ł

ć kilka

procesów równocze nie.

ś

Obszar sta ych

ł

jest również tylko do odczytu. We

wspó czesnych

ł

systemach uniksowych jest

czony

łą

w jeden obszar z obszarem

tekstu. Obszar zmiennych zainicjowanych zawiera zmienne, którym zosta y

ł

przypisane warto ci

ś

pocz tkowe,

ą

ale proces mo e

ż je dowolnie modyfikowa .

ć Obszar

zmiennych

niezainicjowanych

(bss)

zawiera

zmienne,

które

mają

wartość

pocz tkow

ą

ą zero, a wi c

ę nie trzeba ich warto ci

ś

inicjuj cych

ą

przechowywać w pliku

programu. Sterta (ang. heap) i stos (ang. stack) tworzą w zasadzie jeden obszar –

sterta s u y

ł ż

do dynamicznego przydzielania dodatkowego obszaru w pami ci,

ę

natomiast na stosie przechowywane są ramki stosu, czyli informacje zwi zane

ą

z wywo aniem

ł

podprogramów. Sterta rozszerza się w stronę wy szych

ż

adresów,

natomiast

stos

w

stronę

ni szych

ż

adresów.

Proces

u ytkownika

ż

nie

ma

bezpo redniego

ś

dost pu

ę

do kontekstu j dra,

ą

który zawiera informacje o stanie tego

procesu. Ten obszar mo e

ż

być modyfikowany tylko przez j dro.

ą

Pewne warto ci

ś

w tym kontek cie

ś

mogą być modyfikowane z poziomu procesu u ytkownika

ż

poprzez

odpowiednie wywo ania systemowe.

ł

2. Tworzenie nowych procesów

Dzia aj cy

ł ą

proces mo e

ż stworzyć proces potomny u ywaj c

ż

ą wywo ania

ł

systemowego

fork(). W systemie Linux wywo anie

ł

to jest „opakowaniem” na wywo anie

ł

clone(),

które nie jest wywo aniem

ł

standardowym i nie nale y

ż

go bezpo rednio

ś

stosować

w programach, które mają być przeno ne.

ś

W Linuksie zastosowany jest wariant

tworzenia procesów okre lany

ś

po angielsku copy-on-write. Oznacza to, ze po

stworzeniu nowego procesu wspó dzieli

ł

on zarówno obszar tekstu, jak i obszar

danych (tj. stert ,

ę

stos, zmienne zainicjowane i niezainicjowane) z rodzicem.

Dopiero, kiedy któryś z nich b dzie

ę

próbował dokonać modyfikacji danych nast pi

ą

rozdzielenie obszaru danych (proces potomny otrzyma kopię obszaru rodziciela).

2

Aby wykonać nowy program nale y

ż w procesie potomnym u y

ż ć jednej z funkcji exec

(). Sterowanie z procesu rodzicielskiego do procesu potomnego nigdy bezpo rednio

ś

nie wraca, ale proces rodzicielski mo e

ż poznać status wykonania procesu potomnego

wykonuj c

ą jedną z funkcji wait(). Je li

ś

proces rodzicielski nie wykona tej funkcji to

proces potomny zostaje procesem zombie. W przypadku, gdy proces rodziciel

zako czy

ń

się wcze niej

ś

niż proces potomny, to ten ostatni jest „adoptowany” przez

proces init, którego PID (identyfikator procesu) wynosi „1” lub inne procesy nale

ce

żą

do tej samej grupy co proces macierzysty.

3. Sygna y

ł

Sygna y

ł

mo na

ż

uznać za prostą formę komunikacji mi dzy

ę

procesami, ale przede

wszystkim s u

ł żą one do powiadomienia procesu, e

ż zasz o

ł jakieś zdarzenie, st d

ą też

nazywa się je przerwaniami programowymi. Sygna y

ł

są asynchroniczne wzgl dem

ę

wykonania procesu (nie mo na

ż

przewidzieć kiedy się pojawi ).

ą

Mogą być wys ane

ł

z procesu do procesu lub z j dra

ą

do procesu. Programista ma do dyspozycji funkcję

kill(), która umo liwia

ż

wys anie

ł

sygna u

ł

do procesu o podanym PID. Z ka dym

ż

procesem jest zwi zana

ą

struktura, w której umieszczone są adresy procedur obs ugi

ł

sygna ów. Je li programista nie napisze w asnej funkcji obs uguj cej dany sygna , to

ł

ś

ł

ł

ą

ł

wykonywana jest procedura domy lna, która powoduje natychmiastowe zako czenie

ś

ń

procesu lub inne, zale ne

ż

od konfiguracji zachowanie. Część sygna ów

ł

mo na

ż

ignorowa ,

ć lub zablokować je na okre lony

ś

czas. Niektórych sygna ów

ł

nie mo na

ż

samemu obs u y , ani zignorowa , ani zablokowa (np. SIGKILL).

ł ż ć

ć

ć

4. Opis wa niejszych funkcji

ż

fork() - stwórz proces potomny. Funkcja ta zwraca dwie warto ci:

ś

dla procesu

macierzystego - PID potomka, dla procesu potomnego „0”. Je li

ś

jej wywo anie

ł

się nie powiedzie, to zwraca wartość „-1”. Oto fragment kodu, pozwalaj cy

ą

oprogramowa zachowanie potomka i rodzica:

ć

int porcpid = fork();

if(procpid == 0) {

/*tu kod potomka*/

} else {

3

/* tu kod rodzica*/

}

Szczegó y: man fork

ł

clone() - funkcja specyficzna dla Linuksa, s u y

ł ż do tworzenia nowego procesu.

Szczegó y: man clone

ł

getpid() i getppid() - funkcje zwracają odpowiednio: PID procesu bie

cego

żą

i PID jego rodzica. Szczegó y: man getpid

ł

sleep() - s u y

ł ż

do „u pienia”

ś

procesu na okre lon

ś

ą liczbę sekund. Szczegó y:

ł

man 3 sleep

wait - nie jest to jedna funkcja, ale rodzina funkcji (wait(), waitpid(), wait3(),

wait4()). Powodują one, e

ż

proces macierzysty czeka na zako czenie

ń

procesu

potomnego.

Status

zako czenia

ń

procesu

mo emy

ż

poznać

korzystaj c

ą

z odpowiednich makr. Szczegó y: man 2 wait.

ł

exit() - funkcja ko cz ca

ń ą

wykonanie procesu. Istnieje kilka innych podobnych

funkcji. Szczegó y: man 3 exit.

ł

exec – rodzina funkcji (execl(), execlp(), execle(), execv(), execv()), które zast puj

ę

ą

obraz w pami ci

ę

aktualnie wykonywanego procesu obrazem nowego procesu

odczytanym z pliku. Szczegó y: man 3 exec.

ł

kill() – funkcja powoduj ca wys anie sygna u o okre lonym numerze do procesu

ą

ł

ł

ś

o okre lonym PID. Szczegó y: man 2 kill.

ś

ł

signal() – funkcja pozwala okre li

ś ć zachowanie procesu, po otrzymaniu

odpowiedniego sygna u.

ł

Z tą funkcją powi zane

ą

są funkcje sigblock()

i sigsetmask().

W

chwili

obecnej

zalecane

jest

stosowanie

sigaction()

i sigprocmask(). Szczegó y:

ł

man signal, man sigblock, man sigsetmask, man

sigaction, man sigprocmask.

pause() – funkcja powoduje, e

ż proces czeka na otrzymanie sygna u.

ł

Szczegó y:

ł

man pause.

alarm() - pozwala ustawić czas, po którym proces otrzyma sygnał SIGALRM.

Szczegó y: man alarm.

ł

4

Zadania:

1. Napisz program, który utworzy dwa procesy: macierzysty i potomny. Proces

rodzicielski powinien wypisać swoje PID i PID potomka, natomiast proces potomny

powinien wypisa swoje PID i PID rodzica.

ć

2. Zademonstruj w jaki sposób mog powsta w systemie procesy zombie.

ą

ć

3. Napisz program, który stworzy dwa procesy. Proces macierzysty powinien poczekać

na wykonanie procesu potomnego i zbada status jego wyj cia.

ć

ś

4. Napisz program, który w zale no ci od warto ci argumentu podanego w linii polece

ż

ś

ś

ń

wygeneruje odpowiednią liczbę procesów potomnych, które b d

ę ą się wykonywa y

ł

wspó bie nie.

ł

ż

Ka dy

ż

z procesów potomnych powinien wypisać 4 razy na ekranie

swój PID, PID swojego rodzica oraz numer okre laj cy,

ś

ą

którym jest potomkiem

rodzica (1, 2, 3 ...), a nast pnie

ę

usnąć na tyle sekund, ile wskazuje ten numer

(pierwszy – 1 sekunda, 2 – dwie sekundy, trzeci - 3 sekundy). Proces macierzysty

powinien poczeka na zako czenie wykonania wszystkich swoich potomków.

ć

ń

5. Napisz dwa programy. Program pierwszy stworzy dwa procesy, a nast pnie

ę

proces

potomny zast pi procesem programu drugiego.

ą

6. Napisz program, który wy le do siebie sygna SIGALRM i obs u y go.

ś

ł

ł ż

7. Napisz program, który stworzy dwa procesy. Proces rodzicielski wy le

ś

do potomka

sygnał SIGINT (mo na

ż

go wys a

ł ć „r cznie”

ę

naciskaj c

ą na klawiaturze równocze nie

ś

Ctrl + C). Proces potomny powinien ten sygnał obs u y

ł ż ć za pomocą napisanej przez

Ciebie funkcji.

8. Napisz cztery osobne programy. Ka dy

ż

z nich powinien obs ugiwa

ł

ć wybrany przez

Ciebie sygna .

ł Ka dy

ż

z tych programów b dzie

ę

wysy a

ł ł co sekundę sygnał do innego

procesu, tzn. proces pierwszy b dzie

ę

wysy a

ł ł sygnał do procesu drugiego, drugi do

trzeciego, trzeci do czwartego, a czwarty do pierwszego.

Zak adamy,

ł

e

ż

procesy

b d

ę ą sterowane zdarzeniami, tzn. je li

ś

proces nie otrzyma sygna u

ł

to nic nie robi,

je li

ś otrzyma, to wypisuje na ekranie stosowny komunikat i wysy a

ł sygnał do innego

procesu. Jaki problem mo e

ż

się pojawić przy takiej wspó pracy

ł

procesów, jak mu

zapobiec?

9. Napisz program, który udowodni,

e

ż

obszar danych jest wspó dzielony

ł

mi dzy

ę

procesem potomnym i macierzystym do chwili wykonania modyfikacji danych przez

jednego z nich.

10. Ze wzgl dów

ę

bezpiecze stwa

ń

zaleca si ,

ę aby w ramach funkcji obs uguj cej

ł

ą

sygnał

wykonywane by y

ł

tylko proste czynno ci,

ś

jak np. ustawienie flagi informuj cej

ą

5

o otrzymaniu

sygna u,

ł

a skomplikowane

czynno ci

ś

eby

ż

by y

ł

wykonywane

w osobnym kodzie. Przedstaw schemat takiego rozwi zania

ą

stosuj c

ą

proces

macierzysty i potomny.

11. Poka w jaki sposób sygna y mog by przez proces blokowane lub ignorowane.

ż

ł

ą

ć

6