Лабораторная работа №4. Процессы в UNIX

Цель работы.

Получить представление о принципах организации исполнения программ в ОС UNIX. Ознакомиться с некоторыми средствами управления процессами.

Процессом называется программа в стадии ее выполнения. Процесс включает:

- программный код – последовательность команд, исполняемых процессором;

- данные, обрабатываемые программой;

- стек – динамически выделяемая память для хранения оперативной информации;

- системную информацию о выполняемой задаче (размещаемая память, открытые файлы, статус процесса, системные переменные окружения).

ОС UNIX является многозадачной. Это означает, что одновременно могут выполняться несколько процессов, причем часть процессов могут являться образцами одной программы. Выполнение процесса заключается в исполнении набора инструкций, который никогда непосредственно не передает управление набору инструкций другого процесса. Процесс считывает и записывает информацию в область данных и в стек, но ему недоступны данные из и стеки других процессов. Современные реализации UNIX, как правило, выделяют каждому процессу независимые адресные пространства. В то же время процессы имеют возможность обмениваться друг с другом данными с помощью предоставляемых UNIX средств межпроцессного взаимодействия (сигналы, каналы, разделяемая память, семафоры, сообщения, файлы).

Процесс обладает средствами порождения новых процессов – системными вызовами exec (прекращение своей работы с замещением самого себя новым процессом) и fork (порождение полной копии процесса). Типичной также является конструкция «fork-и-exec» - процесс порождает свою копию, которая сразу же замещает себя на новый процесс.

К основным атрибутам процесса в UNIX относятся:

- PID – уникальный целочисленный идентификатор процесса;

- PPID – идентификатор родительского процесса (процесса, породившего данный);

- Приоритет процесса – число в пределах от –20 до 20, определяющее относительную долю процессорного времени, отводимого данному процессу. Значение –20 соответствует максимальному приоритету, 0 – стандартному приоритету;

- TTY – терминальная линия, т.е. устройство, с которым по умолчанию ассоциирован стандартный ввод и вывод процесса (обычно – рабочее место, с которого запущен процесс).

- RID и RGID – соответственно идентификаторы пользователя, запустившего процесс, и его группы.

- EID и EGID – то же, но определяют пользователя, от имени которого действует процесс, что задает права доступа к файлам и системным операциям. Обычно (но не всегда) совпадают с RID и RGID.

Существуют следующие типы процессов:

1. Системные процессы. Являются частью ядра системы и всегда расположены в оперативной памяти. Обладают наивысшим приоритетом и полным доступом ко всем ресурсам системы. Выполняют системные функции: начальный запуск системы, управление памятью, диспетчеризация прикладных процессов, управление физическими устройствами, а также ряд важнейших сервисных функций – организация файловой системы, базовые сетевые операции (основные протоколы, firewall и т.п.) и т.д. Обычно ядро целиком загружается из единого двоичного файла (/unix, /vmunix, /bzImage или др.) при старте системы (технология монолитного ядра). В некоторых системах часть функций вынесены в отдельные, динамически подключаемые и удаляемые файлы – модули ядра. Системы, в которых само ядро реализует лишь минимальный набор функций, а модули ядра несут основную функциональную нагрузку, называют системами, построенными по технологии микроядра.

2. Процессы-«демоны» (англ. daemon – от аббревиатуры Disk And Execution Monitor – следящий за диском и исполнением) – неинтерактивные процессы, которые запускаются обычным образом – путем загрузки в память соответствующих программных (исполняемых) файлов и выполняются в фоновом режиме. Обычно демоны запускаются при инициализации системы, но после инициализации ядра, и обеспечивают работу различных подсистем UNIX: системы доступа с терминалов, печати, сетевых услуг и т.д., а также серверных приложений (сервера Internet, баз данных и др.). Демоны не связаны ни с одним пользовательским сеансом работы и обычно не могут непосредственно управляться пользователем. Большую часть времени демоны ожидают, пока тот или ной процесс запросит определенную услугу, например, печать документа или доступ к базе данных.

3. Прикладные (пользовательские) процессы. К прикладным относятся все остальные процессы, выполняющиеся в системе. Как правило, это процессы, порожденные в рамках пользовательского сеанса работы. Например, запуск любой команды (ls, mv…) породит соответствующий процесс этого типа. Важнейшим пользовательским процессом является основной командный интерпретатор (оболочка, shell), который обеспечивает работу пользователя в UNIX. Он запускается сразу же после успешного входа, обеспечивает ввод и выполнение команд; завершение работы основной оболочки приводит к тключению от системы.

Пользовательские процессы могут выполняться как в интерактивном (диалоговом), так и в фоновом режиме. При выходе пользователя из системы все его процессы уничтожаются.

В UNIX различается два класса исполняемых файлов (программ) – двоичные (бинарные) и интерпретируемые (сценарии, скрипты).

Двоичные программные файлы получаются путем компиляции исходных текстов программ (как правило, реализуемых на языке Си или Си++) и содержат набор машинных команд (инструкций процессора), непосредственно исполняемых процессором, а также статические исходные данные. Существуют собственно исполняемые двоичные файлы, а также библиотеки. Библиотеки представляют собой фрагменты программного кода, вынесенные в отдельный файл и подключаемые к основной программе либо на этапе компиляции (статическое связывание), либо на этапе исполнения (динамическое связывание, называемое также использованием разделяемых библиотек). Среди стандартных двоичных форматов в современных UNIX-системах наиболее распространены COFF и ELF, а также «старый» формат – a.out. Двоичные программные файлы обеспечивают максимальное быстродействие.

Интерпретируемые программы представляют собой текстовые файлы, составленные из команд некоторого командного языка (обычно это один из стандартных командных интерпретаторов (shell) либо интерпретирующий язык программирования, напр. Perl). При запуске программы-сценария система загружает в память соответствующий интерпретатор, обычно выполненный в виде бинарного файла, который считывает команды и исполняет их. Производительность программ-сценариев обычно ниже за счет времени, необходимого на анализ текста команд и преобразования из в соответствующий набор процессорных инструкций.

Особое (промежуточное) место занимают исполняемые файлы, реализованные средствами языка Java. Такие программы представляют собой скомпилированный двоичный код, независимый от типа ОС и архитектуры ЭВМ. Выполнение бинарных Java-файлов происходит в среде специального программного средства, называемого виртуальной машиной Java и по сути является интерпретацией.

С каждым процессом ассоциируются потоки ввода-вывода – интерфейсы, позволяющие процессу обмениваться информацией с внешней средой. Каждый процесс имеет потоки (рисунок 2.1):

- поток стандартного ввода stdin (по умолчанию - клавиатура);

- поток стандартного вывода stdout (по умолчанию – экран терминала);

- поток сообщений stderr (служит для вывода сообщений об ошибках и предупреждений; по умолчанию – также экран терминала).

При непосредственном запуске процесса (программы) средствами командного интерпретатора shell (ввод команды в командной строке, фрагмент shell-сценария) установкам по умолчанию соответствует простая команда, состоящая из имени исполняемого файла, и, возможно, параметров.

Пусть proc1 – некоторый исполняемый файл, содержащий программу, которая выполняет чтение со стандартного ввода и вывод информации в стандартный выходной поток. Тогда запуск этого исполняемого файла командой

proc1

будет означать связывание входящего потока с клавиатурой, а обоих исходящих – с экраном терминала.

Командный интерпретатор позволяет перенаправить потоки стандартного ввода и вывода путем использования специальных параметров командной строки.

Запись

proc1 <f1.dat

приведет к связыванию потока стандартного ввода с файлом f1.dat (рисунок 2.2). При этом те данные, которые предполагалось вводить с клавиатуры, будут считаны из файла.

Запись

proc1 >f1.dat

приведет к связыванию потока стандартного вывода с файлом f1.dat (рисунок 2.2). При этом информация, которая по умолчанию выводится на экран, будет записана в файл f1.dat; предыдущее содержимое файла будет уничтожено.

Для дозаписи в конец файла (без уничтожения содержимого) следует использовать конструкцию

proc1 >>f1.dat

Интерпретатор shell выполняет и некоторые другие операции, помимо связывания через программный канал. Рассмотрим кратко вопрос одновременного выполнения нескольких программ, о чем уже упоминалось при обсуждении программных каналов. Например, можно запустить две команды с помощью одной командной строки, разделив их точкой с запятой; интерпретатор shell распознает этот символ и разобьет строку на две команды:

$ date; who

Tue Sep 27 01:03:17 EDT 1983

ken tty0 Sep 27 00:43

dmr tty1 Sep 26 23:45

rob tty2 Sep 26 23:59

bwk tty3 Sep 27 00:06

jj tty4 Sep 26 23:31

you tty5 Sep 26 23:04

her tty7 Sep 26 23:34

Обе команды будут выполнены (подряд) прежде, чем интерпретатор вновь вернется с приглашением.

Можно также при желании запустить несколько команд одновременно. Предположим, что вы собираетесь заняться длительными вычислениями, например, подсчитать число слов в вашей книге, но не хотите ждать окончания команды wc для перехода к другой работе. Тогда можно задать:

$ wc ch* > wc.out &

6944 Shell дает номер процесса

$

Амперсанд (&) в конце командной строки указывает интерпретатору, что нужно запустить данную команду, а затем сразу перейти к получению последующих команд с терминала, т. е. не ждать ее завершения. Итак, команда будет выполняться, а вы можете отвлечься на что-нибудь другое. Переключение выходного потока на файл wc.out предотвращает возможность его смешивания с той информацией, которая появится на терминале в процессе дальнейшей работы.

Каждый экземпляр запущенной программы называется процессом. Число, выдаваемое shell в ответ на команду, введенную с &, является номером процесса. Его можно использовать в других командах в качестве ссылки на данный экземпляр выполняемой программы.

Важно понимать различие между программами и процессами. Скажем, wc — это программа, но каждый запуск программы wc создает новый процесс. Если одновременно выполняется несколько экземпляров одной программы, то любой из них считается отдельным процессом с отличным от других номером.

Если конвейер завершается операцией &

$ pr ch * | lpr &

6951 Номер процесса

$

то все процессы этого конвейера начинают выполняться сразу, и & относится ко всем программам, участвующим в конвейере. Однако выдается только номер процесса, относящийся к последней программе в конвейере. Команда

$ wait

ожидает, пока не завершатся все процессы, запущенные с помощью &. Если она не возвращается сразу, значит, у вас есть незавершенные команды. Прервать выполнение команд можно, нажав клавишу DELETE.

Можно использовать номер процесса, сообщаемый интерпретатором, для остановки процесса, инициированного операцией &:

$ kill 6944

Если вы забыли номер процесса, команда ps выведет сообщение обо всех ваших процессах. В том случае, когда вам некогда, команда kill 0 уничтожит все ваши процессы, за исключением начального процесса-интерпретатора. Если же вам интересно, что делают другие пользователи, команда ps -ag сообщит обо всех выполняемых процессах. Приведем пример вывода:

$ ps -ag

PID TTY TIME CMD

36 со 6:29 /etc/cron

6423 5 0:02 -sh

6704 1 0:04 -sh

6722 1 0:12 vi paper

4430 2 0:03 -sh

6612 7 0:03 -sh

6628 7 1:13 rogue

6843 2 0:02 write dmr

6949 4 0:01 login bimmler

6952 5 0:08 pr ch1.1 ch1.2 ch1.3 ch1.4

6951 5 0:03 lpr

6959 5 0:02 ps -ag

6844 1 0:02 write rob $

Здесь PID — номер процесса; TTY — терминал, связанный с процессом (как в команде who); TIME — затраченное время процессора в минутах и секундах, а в конце строки - выполняемая команда. Команда ps — одна из тех команд, которые выполняются по-разному в различных версиях системы, так что вывод в вашей системе может иметь другой формат. Даже аргументы могут отличаться — см. в своем справочном руководстве страницу ps (1).

Процессы, подобно файлам, имеют иерархическую структуру: у каждого процесса есть родитель и могут быть потомки. Ваша копия интерпретатора shell была создана процессом, обслуживающим связь через терминал с системой. Когда вы запускаете команды, их процессы становятся прямыми потомками вашей копии shell. Если вы запускаете программу "внутри" одной из этих команд, например команду! для выхода из редактора ed, то создается новый процесс-потомок, который является, таким образом, уже внуком для shell.

Иногда процесс выполняется столь долго, что вы уже жалеете, что запустили его. Выключите терминал и идите домой, не дожидаясь его окончания. Но если вы выключите терминал или отсоедините его от сети, то процесс будет уничтожен, даже если применен &. Специально для такого случая предусмотрена команда nohup (no hangup — без отбоя).

Введите

$ nohup команда &

и команда будет продолжать выполняться, даже если выйти из системы. Любой результат выполнения команды будет сохранен в файле, называемом nohup.out. После запуска программы никакая команда nohup уже не поможет.

Если ваш процесс требует много процессорного времени, вы можете облегчить участь тех, кто работает вместе с вами, запустив его с приоритетом ниже обычного. Это можно сделать с помощью программы nice:

$ nice большая-команда &

Команда nohup автоматически вызывает nice, поскольку раз уж вы собираетесь выйти из системы, то можете позволить, чтобы ваша команда выполнялась дольше.

Наконец, вы можете дать указание системе запустить ваш процесс в необычное время, скажем, утром, когда все нормальные люди спят, а не работают на машине. Команда называется at (1):

$ at время

любые команды

какие угодно...

ctl-d

$

Это пример типичного использования команды at, но, конечно, команды можно брать и из файла:

$ at 3am << файл

$

Время можно задавать исходя из 24-часового цикла как 2130 или 12-часового как 930pm.

Создание среды. Одним из достоинств системы UNIX является то, что вы можете легко адаптировать ее по своему вкусу либо в соответствии с местными традициями программистского мира. Например, как отмечалось выше, существуют разные стандарты для символов стирания и удаления; по умолчанию используются # и @. Вы можете изменить их в любой момент с помощью команды

$ stty erase e kill k

где e обозначает нужный вам символ стирания, а k — символ удаления. Однако задавать эти символы при каждом входе в систему — довольно нудное занятие.

На помощь здесь приходит shell. Если в вашем начальном каталоге есть файл.profile, интерпретатор будет запускать команды из него при каждом входе в систему перед выдачей первого приглашения. Поэтому можно поместить команды в.profile для установки требуемой среды, и они будут выполняться всякий раз при входе в систему.

Большинство пользователей первым делом помещают в свой файл.profile команду

$ stty erase <-

Мы использовали <-, чтобы сделать символ стирания видимым, но вы должны поместить в.profile настоящий символ "шаг назад". Команда stty воспринимает также обозначение ^х в качестве ctl-x, поэтому тот же результат можно получить, вводя:

$ stty erase '^h'

поскольку ctl-h и есть шаг назад. (Символ ^ ранее применялся для операции программного канала |, поэтому его следует экранировать с помощью кавычек.) Если на вашем терминале нет возможности задать интервалы табуляции, можно добавить к строке с stty аргумент -tabs:

stty erase '^h' -tabs

Если у вас есть желание посмотреть, как загружена система, при входе в нее добавьте для подсчета пользователей конвейер

who | wc -l

Если имеется служба новостей, можно добавить команду news. Те, кому нравится игра fortune, могут добавить

/usr/games/fortune

Спустя некоторое время вы обнаружите, что период входа в систему существенно возрос, и выберете для себя оптимальный вариант.

Некоторыми возможностями системы можно управлять с помощью так называемых shell-переменных, значения которых пользователь может и посмотреть, и установить. Например, строка-приглашение, обозначаемая ранее как $, на самом деле хранится в shell-переменной, называемой PS1, и можно присвоить ей любое значение:

PS1 = 'Yes, dear?' Да, дорогой?

Кавычки необходимы, поскольку в строке-приглашении есть пробелы, а в этой операции пробелы перед и после "=" не допускаются.

Интерпретатор также выделяет переменные HOME и MAIL. HOME представляет собой имя вашего начального каталога; переменная обычно имеет правильное значение даже без установки ее в.profile. Переменная MAIL содержит имя стандартного файла, в котором хранится ваша почта. Если вы переопределите ее для интерпретатора, то будете в случае появления новой почты получать извещение после ввода каждой команды (Эта возможность плохо реализована в shell. Просмотр файла после ввода каждой команды сказывается на времени работы системы. Кроме того, если вы достаточно долго работаете в редакторе, то не узнаете о новой почте, поскольку не задаете новых команд в начальном интерпретаторе shell. Лучшим решением была бы проверка через каждые несколько минут, а не после очередной команды. Третьим решением, хотя и не для всех доступным, может быть извещение, посылаемое самой программой mail, — она точно "знает", когда появится почта.)

MAIL= /usr/spool/mail/you

(В вашей системе файл для почты может быть другим; распространенным является и имя /usr/mail/you.)

Наиболее полезной переменной интерпретатора shell, вероятно, считается та, которая определяет, где проводится поиск команд. Вспомните, что, когда вы вводите имя команды, интерпретатор обычно вначале ищет его в текущем каталоге, затем в /bin и далее в /usr/bin. Эта последовательность каталогов называется путем поиска и хранится в переменной интерпретатора с именем PATH. Если определенный по умолчанию путь поиска вас не устраивает, то его можно изменить (опять в файле.profile). Например, строкой ниже к стандартному пути поиска добавляется /usr/games:

PATH=.:/bin:/usr/bin:/usr/games/ Один способ...

Синтаксис может показаться вам несколько странным: последовательность имен каталогов разделяется двоеточием. Напоминаем, что '.' обозначает текущий каталог. Можно опустить имя '.', пустой компонент в PATH обозначает текущий каталог.

Другой способ установить значение PATH — просто добавить к предыдущему значению

PATH=$PATH:/usr/games... Другой способ

Можно получить значение любой переменной интерпретатора, предварив ее имя символом $. В приведенном примере выражение $РАТН выбирает текущее значение, к которому добавляется новый компонент, и результат вновь присваивается PATH. Можно проверить это с помощью команды echo:

$ echo PATH is $PATH

PATH is:/bin:/usr/bin:/usr/games

$ echo $HOME Ваш начальный каталог

/usr/you

$

Если у вас есть свои собственные команды, то, возможно, вы захотите собрать их в свой каталог и добавить его к пути поиска. В таком случае переменная PATH может принять подобное значение:

PATH=:$HOME/bin:/bin:/usr/bin:/usr/games

Вопрос создания своих собственных команд мы обсудим в гл. 3.

Существует еще одна переменная, часто используемая текстовыми редакторами, — TERM, которая указывает тип используемого терминала. Эта информация позволяет программам более эффективно работать с экраном. Поэтому можно в.profile добавить, например, следующее:

TERMнm3

Можно применять переменные и для сокращения записи. Если вам часто приходится ссылаться на каталог с длинным именем, имеет смысл добавить строку типа

d = /horribly/long/directory/name

к файлу.profile, чтобы использовать:

$ cd $d

Ваши собственные переменные, скажем d, по традиции обозначаются строчными буквами, что позволяет отличить их от тех, которые, как PATH, использует сам интерпретатор.

Наконец, вы должны сообщить интерпретатору, что будете использовать некоторые переменные в других программах; для этого служит команда export, к которой мы вернемся в гл. 3:

export MAIL PATH TERM

Подводя итоги, покажем, как может выглядеть типичный файл.profile:

$ cat.profile

stty erase '^h' -tabs

MAIL=/usr/spool/mail/you

PATH=:$HOME:/bin:/usr/bin:/usr/games

TERMнm3

b=$HOME/book

export MAIL PATH ТЕRМ b

date

who | wc -l

Задания.

1. Войти в систему.

2. Просмотреть список активных процессов. Объяснить результаты.

1. Выполнить команды с использованием конструкций:

- переназначение выходного канала (на примере cat, ls, ps…);

- переназначение канала сообщений (на примере команды с заведомо ошибочным аргументом);

- переназначение входного канала;

- конвеер (на примере ls, ps и more, less, grep).

2. Войти в систему со второй виртуальной консоли по тем же именем.

3. Запустить в одной из консолей интерактивный процесс (mc, vi, less), переключиться в другую виртуальную консоль и уничтожить этот процесс командой kill. Объяснить результаты.

Примечание. В случае работы с удаленного рабочего места с помощью эмулятора терминала вместо переключения между виртуальными консолями следует открыть несколько параллельных сессий эмулятора терминала. Кроме того, некоторые эмуляторы терминала позволяют имитировать переключение между виртуальными консолями.

Содержание отчета:

- цель работы;

- примеры записи рассмотренных команд с параметрами;

- примеры записи конструкций перенаправления потоков, конвеера, запуска в фоновом режиме;

- пример информации, выдаваемой командой ps;

- выводы.