Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Процессы-зомби

Применение вызова fork для создания процессов может оказаться очень полезным, но вы должны отслеживать дочерние процессы. Когда дочерний процесс завершается, связь его с родителем сохраняется до тех пор, пока родительский процесс в свою очередь не завершится нормально, или не вызовет wait. Следовательно, запись о дочернем процессе не исчезает из таблицы процессов немедленно. Становясь неактивным, дочерний процесс все еще остается в системе, поскольку его код завершения должен быть сохранен, на случай если родительский процесс в дальнейшем вызовет wait. Он становится умершим или процессом-зомби.

Вы сможете увидеть создание процесса-зомби, если измените количество сообщений в программе из примера с вызовом fork. Если дочерний процесс выводит меньше сообщений, чем родительский, он закончится первым и будет существовать как зомби, пока не завершится родительский процесс.

Программа fork2.c такая же, как программа fork1.с, за исключением того, что количества сообщений, выводимых родительским и дочерним процессами, поменяли местами. Далее приведены соответствующие строки кода:

switch (pid) {

case -1:

 perror("fork failed");

 exit(1);

case 0:

 message = "This is the child";

 n = 3;

 break;

default:

 message = "This is the parent";

 n = 5;

 break;

}

Как это работает

Если вы выполните только что приведенную программу с помощью команды ./fork2 & и затем вызовите программу ps после завершения дочернего процесса, но до окончания родительского, то увидите строку, подобную следующей. (Некоторые системы могут сказать <zombie> вместо <defunct>.)

$ ps -аl

  F S UID  PID PPID С PRI NI ADDR SZ WCHAN  TTY   TIME     CMD

004 S   0 1273 1259 0  75  0 -   589 wait4  pts/2 00:00:00 su

000 S   0 1274 1273 0  75  0 -   731 schedu pts/2 00:00:00 bash

000 S 500 1463 1262 0  75  0 -   788 schedu pts/1 00:00:00 oclock

000 S 500 1465 1262 0  75  0 -  2569 schedu pts/1 00:00:01 emacs

000 S 500 1603 1262 0  75  0 -   313 schedu pts/1 00:00:00 fork2

003 Z 500 1604 1603 0  75  0 -     0 do_exi pts/1 00:00:00 fork2 <defunct>

000 R 500 1605 1262 0  81  0 -   781 -      pts/1 00:00:00 ps

Если родительский процесс завершится необычно, дочерний процесс автоматически получит в качестве родителя процесс с PID, равным 1 (init). Теперь дочерний процесс — зомби, который уже не выполняется, но унаследован процессом init из-за необычного окончания родительского процесса. Зомби останется в таблице процессов, пока не пойман процессом init. Чем больше таблица, тем медленнее эта процедура. Следует избегать процессов-зомби, поскольку они потребляют ресурсы до тех пор, пока процесс init не вычистит их.

Есть еще один системный вызов, который можно применять для ожидания дочернего процесса. Он называется waitpid и применяется для ожидания завершения определенного процесса.

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

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

Аргумент pid — конкретный дочерний процесс, окончания которого нужно ждать. Если он равен –1, waitpid вернет информацию о любом дочернем процессе. Как и вызов wait, он записывает информацию о состоянии процесса в место, указанное аргументом stat_loc, если последний не равен пустому указателю. Аргумент options позволяет изменить поведение waitpid. Наиболее полезная опция WNOHANG мешает вызову waitpid приостанавливать выполнение вызвавшего его процесса. Ее можно применять для выяснения, завершился ли какой-либо из дочерних процессов, и если нет, то продолжать выполнение. Остальные опции такие же, как в вызове wait.

Итак, если вы хотите, чтобы родительский процесс периодически проверял, завершился ли конкретный дочерний процесс, можно использовать следующий вызов:

waitpid(child_pid, (int *)0, WNOHANG);

Он вернет ноль, если дочерний процесс не завершился и не остановлен, или child_pid, если это произошло. Вызов waitpid вернет -1 в случае ошибки и установит переменную errno. Это может произойти, если нет дочерних процессов (errno равна ECHILD), если вызов прерван сигналом (EINTR) или аргумент options неверный (EINVAL).

Перенаправление ввода и вывода

Вы можете применить ваши знания о процессах для изменения поведения программ, используя тот факт, что открытые файловые дескрипторы сохраняются вызовами fork и exec. Следующий пример из упражнения 11.6 содержит программу-фильтр, которая читает из стандартного ввода и пишет в свой стандартный вывод, выполняя при этом некоторое полезное преобразование.

Далее приведена программа очень простой фильтрации upper.c, которая читает ввод и преобразует строчные буквы в прописные:

#include <stdio.h>

#include <ctype.h>

#include <stdlib.h>

int main() {

 int ch;

 while ((ch = getchar()) != EOF) {

  putchar(toupper(ch));

 }

 exit(0);

}

Когда вы выполните программу, она сделает то, что и ожидалось:

$ ./upper

hello THERE

HELLO THERE

^D

$

Вы, конечно, можете применить ее для преобразования символов файла, используя перенаправление, применяемое командной оболочкой:

$ cat file.txt

this is the file, file.txt, it is all lower case.

$ ./upper < file.txt

THIS IS THE FILE, FILE.TXT, IT IS ALL LOWER CASE.

Что если вы хотите применить этот фильтр из другой программы? Программа useupper.c принимает имя файла как аргумент и откликается сообщением об ошибке при некорректном вызове:

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]) {

 char *filename;

 if (argc != 2) {

  fprintf (stderr, "usage: useupper filen");

  exit(1);

 }

 filename = argv[1];

Вы повторно открываете стандартный ввод, снова при этом проверяете наличие любых ошибок, а затем применяете функцию execl для вызова программы upper:

 if (!freopen(filename, "r", stdin)) {

  fprintf(stderr, "could not redirect stdin from file %sn", filename);

  exit(2);

 }

 execl("./upper", "upper", 0);

He забудьте, что execl заменяет текущий процесс, если ошибок нет, оставшиеся строки не выполняются.

 perror("could not exec ./upper");

 exit(3);

}

Как это работает

Когда вы выполняете эту программу, ей можно передать файл для преобразования в прописные буквы. Работа делается программой upper, которая не обрабатывает аргументы с именами файлов. Обратите внимание на то, что вам не нужен исходный код программы upper; таким способом можно запустить любую исполняемую программу.

$ ./useupper file.txt

THIS IS THE FILE, FILE.TXT, IT IS ALL LOWER CASE.

Программа useupper применяет freopen для закрытия стандартного ввода и связывания потока файла с файлом, заданным как аргумент программы. Затем она вызывает execl, чтобы заменить код выполняемого процесса кодом программы upper. Поскольку файловые дескрипторы сохраняются, пройдя сквозь вызов execl, программа upper выполняется так же, как при вводе ее в строке командной оболочки

$ ./upper < file.txt

Потоки 

Процессы Linux могут взаимодействовать, отправлять друг другу сообщения и прерываться друг другом. Они могут даже организоваться и совместно использовать сегменты памяти, но они остаются обособленными объектами операционной системы. Процессы не настроены на совместное использование переменных.

Существует класс процесса, именуемый потоком (thread), который доступен во многих системах UNIX и Linux. Несмотря на то, что потоки трудно, программировать, они могут быть очень важны для некоторых приложений, таких как многопоточные серверы баз данных. Программирование потоков в Linux (и вообще в UNIX) не так распространено, как применение множественных процессов, поскольку процессы Linux очень легко применять и программирование множественных взаимодействующих процессов гораздо легче программирования потоков. Потоки обсуждаются в главе 12.

Сигналы

Сигнал — это событие, генерируемое системами UNIX и Linux в ответ на некоторую ситуацию, получив сообщение о котором процесс, в свою очередь, может предпринять какое-то действие. Мы применяем термин "возбуждать" (raise) для обозначения генерации сигнала и термин "захватывать" (catch) для обозначения получения или приема сигнала. Сигналы возбуждаются некоторыми ошибочными ситуациями, например нарушениями сегментации памяти, ошибками процессора при выполнении операций с плавающей точкой или некорректными командами. Они генерируются командной оболочкой и обработчиками терминалов для вызова прерываний и могут явно пересылаться от одного процесса к другому как способ передачи информации или коррекции поведения. Во всех этих случаях программный интерфейс один и тот же. Сигналы могут возбуждаться, улавливаться и соответственно обрабатываться или (по крайней мере, некоторые) игнорироваться.