UNIX System Programming

Transcript

1 UNIX System Programming Processes Objectives look at how to program UNIX processes fork( ), wait( )

2 Overview 1. What is a Process? 2. fork() 3. wait() 4. Process Data

3 1. What is a Process? A process is the context (the information/data) maintained for an executing program. Intuitively, a process is the abstraction of a physical processor. Exists because it is difficult for the OS to otherwise coordinate many concurrent activities, such as incoming network data, multiple users, etc. IMPORTANT: A process is sequential

4 What makes up a Process? program code machine registers global data stack open files (file descriptors) an environment (environment variables; credentials for security)

5 Some of the Context Information Process ID (pid) Parent process ID (ppid) Real User ID which this process Effective User ID unique integer ID of user/process started ID of user who wrote the process program continued

6 Important System Processes init Mother of all processes. init is started at boot time and is responsible for starting other processes. init uses file inittab & directories: /etc/rc?.d getty login process that manages login sessions.

7 Unix Start Up Processes Diagram OS kernel Process 0 (sched) Process 1 (init) getty getty getty login login csh bash

8 Pid and Parentage A process ID or pid is a positive integer that uniquely identifies a running process, and is stored in a variable of type pid_t. You can get the process pid or parent s pid #include <sys/types> main() { pid_t pid, ppid; printf( "My PID is:%d\n\n",(pid = getpid()) ); printf( "Par PID is:%d\n\n",(ppid = getppid()) );

9 2. fork() #include <sys/types.h> #include <unistd.h> pid_t fork( void ); Creates a child process by making a copy of the parent process --- an exact duplicate. Implicitly specifies code, registers, stack, data, files Both the child and the parent continue running.

10 fork() as a diagram Parent pid = fork() Returns a new PID: e.g. pid == 5 Data Shared Program Child pid == 0 Data Copied

11 Process IDs (pids revisited) pid = fork(); In the child: pid == 0; In the parent: pid == the process ID of the child. A program almost always uses this pid difference to do different things in the parent and child.

12 fork() Example (parchld.c) #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t pid; /* could be int */ int i; pid = fork(); if( pid > 0 ) { /* parent */ for( i=0; i < 1000; i++ ) printf( \t\t\tparent %d\n, i);

13 else { /* child */ for( i=0; I < 1000; i++ ) printf( CHILD %d\n, i ); return 0;

14 Possible Output CHILD 0 CHILD 1 CHILD 2 CHILD 3 CHILD 4 : PARENT 0 PARENT 1 PARENT 2 PARENT 3 PARENT 4

15 Things to Note i is copied between parent and child. The switching between the parent and child depends on many factors: machine load, system process scheduling I/O buffering effects amount of output shown. Output interleaving is nondeterministic cannot determine output by looking at code

16 3. wait() #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t wait(int *statloc); Suspends the calling process until one of its child processes ends. If the system already has information about a terminated child process when wait is called, the return from wait occurs immediately. Status information for the terminating child process is usually stored at the location pointed to by *statloc. if wait is called with NULL as the *statloc value, no status information is returned. If successful, wait returns the process ID of the child process. If unsuccessful, a -1 is returned.

17 wait() Actions A process that calls wait() can: suspend (block) if all of its children are still running, or return immediately with the termination status of a child, or return immediately with an error if there are no child processes.

18 4. Process Data Since a child process is a copy of the parent, it has copies of the parent s data. A change to a variable in the child will not change that variable in the parent.

19 PID=981 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Δεδομένα : p =? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father();

22 PID=981 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Δεδομένα : p = -1? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); p = -1, errno = if (p < 0) { ENOMEM perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father();

26 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork()

29 PID=981 PID=987 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Δεδομένα : p =? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father(); Δεδομένα : p =? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father();

30 PID=981 PID=987 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Δεδομένα : p = 987? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); p = 987 if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father(); Δεδομένα : p = 0? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); p = 0 if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father();

34 PID=981 PID=987 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Δεδομένα : p = 987? mypid =? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); p = 987 if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father(); Δεδομένα : p = 0? mypid = 987? Κείμενο: pid_t p, mypid; p = fork(); p = 0 if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { mypid = getpid(); child(); else { father();

37 Δημιουργία στο μοντέλο του UNIX: fork() Όλες οι διεργασίες προκύπτουν με fork() [σχεδόν όλες] Ίδιο πρόγραμμα με γονική διεργασία, αντίγραφο χώρου μνήμης, κληρονομεί ανοιχτά αρχεία, συνδέσεις, δικαιώματα πρόσβασης Αντικατάσταση προγράμματος διεργασίας: execve() Η γονική διεργασία ενημερώνεται για το θάνατο του παιδιού με wait() συλλογή τιμής τερματισμού (exit status) Μέχριτότε, παιδίπουέχεικαλέσειτηνexit() είναιzombie Αν ο γονέας πεθάνει πρώτα, η διεργασία γίνεται παιδί της init (PID = 1), που κάνει συνεχώς wait() prog-a 981 fork Prog-A 981 wait Prog-A 987 execve Prog-B 987 Prog-B exit 987 (zombie)

38 wait() / waitpid() Για κάθε fork() πρέπει να γίνει ένα wait() wait(&status) Μπλοκάρει έως οποιοδήποτε παιδί πεθάνει Το status κωδικοποιεί πώς πέθανε η διεργασία Κανονικά (exit()), λόγω κάποιου σήματος (SIGTERM, SIGKILL) Χρήσιμες μακροεντολές για την ερμηνεία του status WIFEXITED(), WEXITSTATUS(), WIFSIGNALED(), WTERMSIG() σας δίνεται η explain_wait_status() Μια πιο ευέλικτη wait(): waitpid() Περιμένει για αλλαγή κατάστασης συγκεκριμένου ή οποιουδήποτε PID διεργασίας-παιδιού Συμπεριφορά ελεγχόμενη από flags (WNOHANG, WUNTRACED)

39 explain_wait_status() void explain_wait_status(pid_t pid, int status) { if (WIFEXITED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld terminated normally, exit status = %d\n", (long)pid, WEXITSTATUS(status)); else if (WIFSIGNALED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld was terminated by a signal, signo = %d\n", (long)pid, WTERMSIG(status)); else if (WIFSTOPPED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld has been stopped by a signal, signo = %d\n", (long)pid, WSTOPSIG(status)); else { fprintf(stderr, "%s: Internal error: Unhandled case, PID = %ld, status = %d\n", func, (long)pid, status); fflush(stderr);

40 explain_wait_status() void explain_wait_status(pid_t pid, int status) { if (WIFEXITED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld terminated normally, exit status = %d\n", (long)pid, WEXITSTATUS(status)); else if (WIFSIGNALED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld was terminated by a signal, signo = %d\n", (long)pid, WTERMSIG(status)); else if (WIFSTOPPED(status)) fprintf(stderr, "Child with PID = %ld has been stopped by a signal, signo = %d\n", (long)pid, WSTOPSIG(status)); else { fprintf(stderr, "%s: Internal error: Unhandled case, PID = %ld, status = %d\n", func, (long)pid, status); fflush(stderr); Παράδειγμα: pid = wait(&status); explain_wait_status(pid, status); if (WIFEXITED(status) WIFSIGNALED(status)) --processes_alive;

41 Κώδικας: παράδειγμα fork() / wait() void child(void) { compute(10000); exit(7); int main(void) { pid_t p; int status; p = fork(); if (p < 0) { perror("fork"); if (p == 0) { child(); p = wait(&status); explain_wait_status(p, status); return 0;

42 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία write fd[1] M άκρο εγγραφής read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο ανάγνωσης Ένας από τους βασικότερους μηχανισμούς στο UNIX Μονόδρομη μεταφορά δεδομένων Απότοάκροεγγραφής στο άκρο ανάγνωσης Δημιουργία με pipe(), επικοινωνία με write() και read() Αν η σωλήνωση είναι άδεια; η read() μπλοκάρει

43 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα int fd[2]; int num1, num2; pipe(fd); write(fd[1], &num1, sizeof(num1)); read(fd[0], &num2, sizeof(num2));

44 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης int fd[2]; int num1, num2; pipe(fd); write(fd[1], &num1, sizeof(num1)); read(fd[0], &num2, sizeof(num2));

45 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία write fd[1] M άκρο εγγραφής Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο ανάγνωσης int fd[2]; int num1, num2; pipe(fd); write(fd[1], &num1, sizeof(num1)); read(fd[0], &num2, sizeof(num2));

46 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία write fd[1] M άκρο εγγραφής int fd[2]; int num1, num2; read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο ανάγνωσης pipe(fd); write(fd[1], &num1, sizeof(num1)); read(fd[0], &num2, sizeof(num2));

47 Σωληνώσεις στο UNIX (1) Διεργασία write fd[1] read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης int fd[2]; int num1, num2; pipe(fd); write(fd[1], &num1, sizeof(num1)); read(fd[0], &num2, sizeof(num2));

48 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

49 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

50 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

51 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] read fd[0] Διεργασία παιδί write fd[1] read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

52 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] Διεργασία παιδί write fd[1] read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

53 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] Διεργασία παιδί read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

54 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] M άκρο εγγραφής Διεργασία παιδί read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

55 Σωληνώσεις στο UNIX (2) Διεργασία πατέρας write fd[1] Διεργασία παιδί read fd[0] Χώρος Χρήστη Χώρος Πυρήνα άκρο εγγραφής άκρο ανάγνωσης pipe(fd); fork(); ο πατέρας κλείνει το άκρο ανάγνωσης τοπαιδίκλείνειτοάκροεγγραφής

56 Κώδικας: παράδειγμα IPC με UNIX pipes

57 Κώδικας: παράδειγμα IPC με UNIX pipes double value; int pfd[2]; pid_t p; if (pipe(pfd) < 0) { perror( pipe ); p = fork(); if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { if (read(pfd[0], &value, sizeof(value))!= sizeof(value)) { perror( read from pipe ); printf( child received value: value = %f\n, value); exit(0); else { compute_value(&value); if (write(pfd[1], &value, sizeof(value))!= sizeof(value)) { perror( write to pipe ); exit(0);

58 Κώδικας: παράδειγμα IPC με UNIX pipes double value; int pfd[2]; pid_t p; if (pipe(pfd) < 0) { perror( pipe ); p = fork(); if (p < 0) { perror( fork ); else if (p == 0) { if (read(pfd[0], &value, sizeof(value))!= sizeof(value)) { perror( read from pipe ); printf( child received value: value = %f\n, value); exit(0); else { compute_value(&value); if (write(pfd[1], &value, sizeof(value))!= sizeof(value)) { perror( write to pipe ); exit(0);