Procesy

Krok 1: Procesy

Príprava

Pre prácu na cvičení si stiahnite súbor k cvičeniu.

Obsah súboru:

.
└── 05
    ├──u1_1.c
    ├──u2_1.c
    ├──u3_1.c
    ├──u3_2.c
    ├──Makefile
    └──tests
       └──u1_1_test.sh

Úvod

Proces je prostredie v ktorom sa vykonávajú programy. Každý proces má svoj vlastný adresný priestor. Okrem toho sú mu aj pridelené systémové zdroje. Každý proces získa pri vzniku PID (process identifier), ktoré je v systéme unikátne.

Časť výpisu môže vyzerať takto:

  PID TTY          TIME CMD
 5557 pts/2    00:00:00 sh
 5689 pts/2    00:00:00 ps

Viacero procesov môže vykonávať jeden program. Štruktúra procesov je hierarchická pretože každý proces bol vytvorený iným procesom. Týmto vzniká medzi procesmi vzťah „rodič – potomok“.

Služba jadra getpid()

Slúži na získanie ID procesu.

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int getpid();

Ak sa táto služba použije samostatne v programe, tak to nemá veľký význam. Využíva sa predovšetkým, keď aktuálny proces vytvorí svojho potomka a je potrebné sa medzi nimi zorientovať.

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(){
    printf("ID procesu je %d\n", getpid());
}

Služba jadra getppid()

Služba jadra getppid() vráti ID rodiča volajúceho procesu.

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int getppid();

Podobná funkcionalita ako getpid().

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(){
    printf("ID procesu je %d\n", getpid());
    printf("ID jeho rodiča je %d\n", getppid());
}

Služba jadra fork()

Vytvára takmer identický proces (klon). Jedná sa o proces potomka. Rodičovský proces, ktorý proces potomka vytvoril, nečaká na ukončenie svojho potomka. Ich vykonávanie prebieha súčasne.

#include <unistd.h>

int fork();

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
int pid; /*Premenná definovaná pre uloženie návratovej hodnoty fork()*/
    pid = fork();

    if(pid == 0){ /*pid == 0 vtedy ak sa jedná o potomka*/
        printf("Toto je proces potomka.\n");
    }
    else{ /*(pid == ID potomka && pid!=0) ak sa jedná o rodiča*/
        printf("Toto je proces rodica.\n");
    }
}

Aplikovanie poznatkov k službe fork()

Rodic [ID = 4897]
Potomok [ID = 4898]

./tests/u1_1_test.sh 

Služba jadra execve()

Služba execve() priradí nový program procesu.

#include <unistd.h>

int execve (const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

Príklad použitia:

Program child.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
    printf("Proces potomka [id = %d] sa vykonava.\n",getpid());
    sleep(1); 
    /*funkcia sleep() slúži na pozastavenie vykonávania programu 
    na počet sekúnd uvedených v parametri. V tomto prípade sa jedná o 1 sekundu.*/
    printf("Proces potomka [id = %d] sa ukoncuje.\n",getpid());
}

Program execve.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(){
    if(fork()==0){
        /*Ak je návratová hodnota fork == 0, tak sa jedná o potomka.*/

        /*Argumenty execve() nesmú byť NULL. V tomto prípade stačia 
        prázdne polia na konci ktorých musí byť NULL. Spustí sa program child.c*/
        execve("child", (char *[]){NULL}, (char *[]){NULL});

        //Tu sa program nikdy nedostane, ak execve() nezlyhá.
        exit(0);
    }
    printf("Proces rodica [id = %d] sa vykonava.\n",getpid());
    sleep(2);
    printf("Proces rodica [id = %d] sa ukoncuje.\n",getpid());
}

Opis kódu:

Pri zavolaní služby execve() sa pôvodný kód procesu (program execve.c) nahradí kódom programu child.c. Tiež sa nahradia aj údaje pôvodného programu (premenné, konštanty, alokovaná pamäť).

Ukážkový výpis z programu vyzerá nasledovne:

Proces rodica [id = 14646] sa vykonava.
Proces potomka [id = 14647] sa vykonava.
Proces potomka [id = 14647] sa ukoncuje.
Proces rodica [id = 14646] sa ukoncuje.

Jednotlivé id procesov sú pri každom spustení programu iné. Najprv sa začal vykonávať proces rodiča. Po vytvorení potomka pomocou služby fork() sa začal vykonávať proces potomka. Keďže proces potomka bol pozastavený len na 1 sekundu, zatiaľ čo proces rodiča až na 2, tak sa najprv ukončí proces potomka.

Služby podobné execve()

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

/*Nasledujúci program spustí nový program v pôvodnom pomocou služby execlp.*/
int main(){
    printf("Spustenie ps pomocou execlp:\n");
    execlp("ps", "ps", "-ax", (char *){NULL});
    printf("Koniec.\n");
    exit(0);
}

Spustenie ps pomocou execlp:
  PID TTY      STAT   TIME COMMAND
 3856 ?        Ss     0:00 /usr/lib/openssh/sftp-server
 4001 ?        Ss     0:00 /usr/lib/openssh/sftp-server
16842 pts/1    Ss     0:00 -sh
16870 pts/1    R+     0:00 ps -ax

Opis kódu:

Program vypísal prvú správu „Spustenie ps pomocou execlp:“, následne zavolal službu execlp(). Tým sa spustilo vykonávanie nového kódu z nového vykonateľného súboru špecifikovaného vo volaní execlp(). Po skončení programu sa nevykonal návrat do pôvodného programu, takže sa nevypísala správa „Koniec.“.

Služba jadra wait()

Služba wait() pozastaví vykonávanie volajúceho procesu po dobu, kým sa neukončí jeho proces – potomok.

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *wstatus);

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
    if(fork()==0){
        /*Ak je návratová hodnota fork == 0, tak sa jedná o potomka.*/

        /*Argumenty execve() nesmú byť NULL. V tomto prípade stačia prázdne 
        polia na konci ktorých musí byť NULL. Spustí sa program child.c*/
        execve("child", (char *[]){NULL}, (char *[]){NULL});

        //Tu sa program nikdy nedostane, ak execve() nezlyhá.
        exit(0);
    }
    printf("Proces rodica [id = %d] sa vykonava.\n",getpid());
    /*Služba wait() pozastavila vykonávanie rodiča po dobu, kým sa neukončí proces 
    jeho potomka. V tomto prípade nepotrebujeme pracovať so stavovou informáciou, 
    takže sa do parametra dáva NULL.*/
    if(wait(NULL) > 0){
        printf("Proces rodica [id = %d] zaznamenal ukoncenie potomka\n", getpid());
    }
    printf("Proces rodica [id = %d] sa ukoncuje.\n",getpid());
}

Opis kódu:

V procese potomka sa prostredníctvom služby execve() priradil procesu nový program. Proces rodiča čaká na ukončenie potomka pomocou služby wait(). Až po ukončení procesu potomka sa môže ukončiť proces rodiča.

Ukážkový výpis programu:

Proces rodica [id = 25824] sa vykonava.
Proces potomka [id = 25825] sa vykonava.
Proces potomka [id = 25825] sa ukoncuje.
Proces rodica [id = 25824]: rodic zaznamenal ukoncenie potomka
Proces rodica [id = 25824] sa ukoncuje.

Proces rodica [id = 25824] sa vykonava.
Proces potomka [id = 25825] sa vykonava.
Proces potomka [id = 25825] sa ukoncuje.
Proces rodica [id = 25824]: rodic zaznamenal ukoncenie potomka [id = 25825]
Proces rodica [id = 25824] sa ukoncuje.

Služba jadra waitpid()

Služba waitpid() pozastaví vykonávanie volajúceho procesu po dobu, kým sa neukončí jeho proces – potomok.

#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

Služba jadra system()

Služba system() spustí nový proces, v ňom shell a ten vykoná príkaz zadaný ako parameter tejto funkcie. Spája činností služieb fork(), execve() a waitpid().

#include <stdlib.h>

int system (const char *command)

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/*Nasledujúci program spustí program v shelli pomocou parametru.*/
int main(){
    printf("Spustenie ps s parametrami pomocou sluzby system():\n");
    system("ps ax");
    printf("Hotovo.\n");
    exit(0);
}

Ukážkový výpis programu môže vyzerať nasledovne:

ls
system
system.c

Krok 2: Zombie procesy

Opis zombie procesu

Závažný problém, ktorý vedie k vyčerpávaniu systémových zdrojov. Jedná sa o procesy, ktoré nie sú aktívne, no naďalej zostávajú v systéme ako "zombie" procesy. Dôvod vzniku: Ak proces vracia svojmu rodičovi návratovú hodnotu prostredníctvom služby exit() (bude vysvetlená neskôr), tak v systémovej tabuľke ostáva záznam o tejto hodnote. Tento záznam pretrváva dovtedy, pokiaľ rodič alebo nejaký iný program nepreberie návratovú hodnotu (prostredníctvom zavolania služby wait() alebo waitpid()). Ak však rodič alebo nejaký iný program túto hodnotu neprevezme, potomok nemôže ukončiť svoju činnosť. Rodič nikdy nečaká na ukončenie potomka, pretože ich vykonávanie prebieha naraz (ako 2 nezávislé procesy). Zombie proces vzniká vtedy, keď proces rodiča ukončí svoju činnosť skôr ako proces potomka. Takýto proces zostane v tabuľke procesov pokiaľ sa o jeho odstránenie nepostará proces init.

Služba jadra exit()

Služba exit() spôsobí okamžité ukončenie vykonávaného procesu.

#include <sys/wait.h>

void exit(int status);

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(){ 
    int status;
    switch(fork()){
        case 0://Úspešné vytvorenie potomka.
            printf("Pid potomka je: %d\n", getpid());
            printf("Pid rodica je: %d\n", getppid());
            sleep(3); 
            exit(51);//Hodnota návratového kódu bola zvolená náhodne.
            break;
        case -1:
            perror("Nepodarilo sa vytvorit potomka.");
            exit(1);
            break;
        default:
            //Tu sa jedná o rodičovský proces
            printf("Pid potomka ziskane v rodicovskom procese = %d\n", wait(&status));
            printf("Status = %x\n", status);
            if(WIFEXITED(status)){
                printf("Status (cez makro) = %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
            exit(0);
            break;
    }
}

Opis kódu:

Program vytvoril potomka, ktorého činnosť na 3 sekundy pozastavil. Proces rodiča čaká na ukončenie potomka prostredníctvom služby wait(). Pomocou tejto služby je získané aj PID potomka v rodičovskom procese. Použitím makrá WEXITSTATUS je možné sa dostať k návratovej hodnote potomka "51".

Ukážkový výstup môže vyzerať nasledovne:

Pid potomka je: 1077
Pid rodica je: 1076
Pid potomka ziskane v rodicovskom procese = 1077
Status = 3300
Status (cez makro) = 51

Záverečná úloha k cvičeniu