Создание процессов в Unix

Процесс создается системным вызовом fork. Этот вызов создает два процесса, образы которых в первый момент идентичны, у них различается только возвращаемое значение.

При этом каждый из процессов имеет свою копию всех локальных и статических переменных. На процессорах со страничным диспетчером памяти физического копирования не происходит. Изначально оба процесса используют одни и те же страницы памяти, а дублируются только те из них, которые были изменены.

Если мы хотим запустить другую программу, то мы должны исполнить системный вызов из семейства exel. Вызовы этого семейства различаются только способом передачи параметров. Все они прекращают исполнение текущего образа процесса и создают новый процесс с новым виртуальным адресным пространством, но с тем же идентификатором процесса. При этом у нового процесса будет тот же приоритет, будут открыты те же файлы и т. д.

Процесс - это последовательность операций при выполнении программы, которая представляет собой наборы байтов интерпретируемые ЦП, как машинные инструкции. Он состоит из текста, данных и стека.

Под текстом понимаются код, машинные инструкции.

Время жизни процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

1. Процесс выполняется в режиме задачи.
2. Процесс выполняется в режиме ядра.
3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.
6. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.
8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Рисунок представляет собой полную диаграмму переходов процесса из состояния в состояние. Рассмотрим с помощью модели переходов типичное поведение процесса. Ситуации, которые будут обсуждаться, несколько искусственны и процессы не всегда имеют дело с ними, но эти ситуации вполне применимы для иллюстрации различных переходов. Начальным состоянием модели является создание процесса родительским процессом с помощью системной функции fork; из этого состояния процесс неминуемо переходит в состояние готовности к запуску (3 или 5). Для простоты предположим, что процесс перешел в состояние "готовности к запуску в памяти" (3). Планировщик процессов в конечном счете выберет процесс для выполнения и процесс перейдет в состояние "выполнения в режиме ядра", где доиграет до конца роль, отведенную ему функцией fork.

Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние

После всего этого процесс может перейти в состояние "выполнения в режиме задачи". По прохождении определенного периода времени может произойти прерывание работы процессора по таймеру и процесс снова перейдет в состояние "выполнения в режиме ядра". Как только программа обработки прерывания закончит работу, ядру может понадобиться подготовить к запуску другой процесс, поэтому первый процесс перейдет в состояние "резервирования", уступив дорогу второму процессу. Состояние "резервирования" в действительности не отличается от состояния "готовности к запуску в памяти" (пунктирная линия на рисунке, соединяющая между собой оба состояния, подчеркивает их эквивалентность), но они выделяются в отдельные состояния, чтобы подчеркнуть, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, может быть зарезервирован только в том случае, если он собирается вернуться в режим задачи. Следовательно, ядро может при необходимости подкачивать процесс из состояния "резервирования". При известных условиях планировщик выберет процесс для исполнения и тот снова вернется в состояние "выполнения в режиме задачи".

Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния "выполнения в режиме задачи" переходит в состояние "выполнения в режиме ядра". Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние "приостановка в памяти", в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод-вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние "готовности к запуску в памяти".

Предположим, что система выполняет множество процессов, которые одновременно никак не могут поместиться в оперативной памяти, и программа подкачки (нулевой процесс) выгружает один процесс, чтобы освободить место для другого процесса, находящегося в состоянии "готов к запуску, но выгружен". Первый процесс, выгруженный из оперативной памяти, переходит в то же состояние. Когда программа подкачки выбирает наиболее подходящий процесс для загрузки в оперативную память, этот процесс переходит в состояние "готовности к запуску в памяти". Планировщик выбирает процесс для исполнения и он переходит в состояние "выполнения в режиме ядра". Когда процесс завершается, он исполняет системную функцию exit, последовательно переходя в состояния "выполнения в режиме ядра" и, наконец, в состояние "прекращения существования".

Процесс может управлять некоторыми из переходов на уровне задачи:

1) Во-первых, один процесс может создать другой процесс. Тем не менее, в какое из состояний процесс перейдет после создания (т.е. в состояние "готов к выполнению, находясь в памяти" или в состояние "готов к выполнению, но выгружен") зависит уже от ядра. Процессу эти состояния не подконтрольны.

2) Во-вторых, процесс может обратиться к различным системным функциям, чтобы перейти из состояния "выполнения в режиме задачи" в состояние "выполнения в режиме ядра", а также перейти в режим ядра по своей собственной воле. Тем не менее, момент возвращения из режима ядра от процесса уже не зависит; в результате каких-то событий он может никогда не вернуться из этого режима и из него перейдет в состояние "прекращения существования".

3) Наконец, процесс может завершиться с помощью функции exit по своей собственной воле, но как указывалось ранее, внешние события могут потребовать завершения процесса без явного обращения к функции exit. Все остальные переходы относятся к жестко закрепленной части модели, закодированной в ядре, и являются результатом определенных событий, реагируя на них в соответствии с правилами, сформулированными в этой и последующих главах. Некоторые из правил уже упоминались: например, то, что процесс может выгрузить другой процесс, выполняющийся в ядре.

Две принадлежащие ядру структуры данных описывают процесс: запись в таблице процессов и пространство процесса. Таблица процессов содержит поля, которые должны быть всегда доступны ядру, а пространство процесса - поля, необходимость в которых возникает только у выполняющегося процесса. Поэтому ядро выделяет место для пространства процесса только при создании процесса: в нем нет необходимости, если записи в таблице процессов не соответствует конкретный процесс.

Таблица процессов состоит из следующих полей:

• Поле состояния, которое идентифицирует состояние процесса.
• Несколько пользовательских идентификаторов (UID), устанавливающих различные привилегии процесса.
• Идентификаторы процесса (PID), указывающие взаимосвязь между процессами. Значения полей PID задаются при переходе процесса в состояние "создан" во время выполнения функции fork.
• Дескриптор события (устанавливается тогда, когда процесс приостановлен).
• Параметры планирования, позволяющие ядру устанавливать порядок перехода процессов из состояния "выполнения в режиме ядра" в состояние "выполнения в режиме задачи".
• Поле сигналов, в котором перечисляются сигналы, посланные процессу, но еще не обработанные.
• Различные таймеры, описывающие время выполнения процесса и использование ресурсов ядра и позволяющие осуществлять слежение за выполнением и вычислять приоритет планирования процесса.

Поля пространства процесса:

• Указатель на таблицу процессов, который идентифицирует запись, соответствующую процессу.
• Пользовательские идентификаторы, устанавливающие различные привилегии процесса, в частности, права доступа к файлу.
• Поля таймеров, хранящие время выполнения процесса (и его потомков) в режиме задачи и в режиме ядра.
• Вектор, описывающий реакцию процесса на сигналы.
• Поле операторского терминала, идентифицирующее "регистрационный терминал", который связан с процессом.
• Поле ошибок, в которое записываются ошибки, имевшие место при выполнении системной функции.
• Поле возвращенного значения, хранящее результат выполнения системной функции.
• Параметры ввода-вывода: объем передаваемых данных, адрес источника (или приемника) данных в пространстве задачи, смещения в файле (которыми пользуются операции ввода-вывода) и т.д.
• Имена текущего каталога и текущего корня, описывающие файловую систему, в которой выполняется процесс.
• Таблица пользовательских дескрипторов файла, которая описывает файлы, открытые процессом.
• Поля границ, накладывающие ограничения на размерные характеристики процесса и на размер файла, в который процесс может вести запись.
• Поле прав доступа, хранящее двоичную маску установок прав доступа к файлам, которые создаются процессом.