Программирование для Linux. Профессиональный подход - Марк Митчелл

Опытные программисты часто создают несколько взаимодействующих процессов в рамках одного приложения, чтобы оно могло выполнять группу действий одновременно. Это повышает надежность приложения и позволяет ему использовать уже написанные программы.

Большинство описанных в данной главе функций управления процессами доступно и в других UNIX-системах. В основном они объявлены в файле <unistd.h>, но не помешает проверить это в документации.

3.1. Знакомство с процессами

Пользователю достаточно войти в систему, чтобы в ней начали выполняться процессы. Даже если пользователь ничего не запускает, а просто сидит перед экраном и пьет кофе. в системе все равно "теплится жизнь". Любой выполняющейся программе соответствует один или несколько процессов. Давайте для начала познакомимся с теми из них, которые присутствуют по умолчанию.

3.1.1. Идентификаторы процессов

Каждый процесс в Linux помечается уникальным идентификатором (PID, process identifier). Идентификаторы — это 16-разрядные числа, назначаемые последовательно по мере создания процессов.

У всякого процесса имеется также родительский процесс (за исключением специального демона init, о котором рассказывается в разделе 3.4.3, "Процессы-зомби"). Таким образом, все процессы Linux организованы в виде древовидной иерархии, на вершине которой находится процесс init. К атрибутам процесса относится идентификатор его предка (PPID, parent process identifier).

Работая с идентификаторами процессов в программах, написанных на языках С и C++, следует объявлять соответствующие переменные как имеющие тип pid_t (определен в файле <sys/types.h>). Программа может узнать идентификатор своего собственного процесса с помощью системного вызова getpid(), а идентификатор своего родительского процесса — с помощью вызова getppid(). В листинге 3.1 показано, как это сделать.

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

int main() {

 printf("The process ID is %dn", (int)getpid());

 printf("The parent process ID is %dn", (int)getppid());

 return 0;

}

Обратите внимание на важную особенность: при каждом вызове программа сообщает о разных идентификаторах, поскольку всякий раз запускается новый процесс. Тем не менее, если программа вызывается из одного и того же интерпретатора команд, то родительский идентификатор оказывается одинаковым.

3.1.2. Получение списка активных процессов

Команда ps отображает список процессов, работающих в данный момент в системе. Версия этой команды в GNU/Linux имеет множество опций, так как пытается быть совместимой со своими "родственниками" в других UNIX-системах. С помощью опций можно указывать, о каких процессах и какую именно требуется получить информацию.

Будучи вызванной без аргументов, команда ps выводит список тех процессов, управляющим терминалом которых является ее собственный терминал:

% ps

  PID TTY       TIME CMD

21693 pts/8 00:00:00 bash

21694 pts/8 00:00:00 ps

В данном случае мы видим два процесса. Первый из них. bash, — это интерпретатор команд, запущенный на данном терминале. Второй — выполняющийся экземпляр самой команды ps. В самом левом столбце, PID, отображаются идентификаторы процессов.

Более полный список можно получить с помощью следующей команды:

% ps -е -о pid,ppid,command

Опция -е заставляет команду ps отображать все процессы, выполняющиеся в системе. Опция -о pid,ppid,command сообщает о том, какая информация о процессе нас интересует. В данном случае это идентификатор самого процесса, идентификатор его родительского процесса и команда, посредством которой был запущен процесс.

В опции -o через запятую указываются столбцы которые должны быть включены в вывод команды ps. Например, команда ps -о pid,user,start_time,command отображает идентификатор процесса, имя его владельца, время запуска а также команду, соответствующую процессу. Полный список опций и столбцов можно узнать на man-странице команды ps. Имеются три предопределенных формата вывода: -f (полный листинг), -l (длинный листинг) и -j (вывод заданий)

Ниже приведено несколько первых и последних строк, выдаваемых этой командой в нашей системе:

% ps -e -о pid,ppid,command

PID PPID COMMAND

  1    0 init [5]

  2    1 [kflushd]

  3    1 [kupdate]

...

21725 21693 xterm

21727 21725 bash

21728 21727 ps -e -o pid,ppid,command

Заметьте: родительский идентификатор команды ps, 21727, соответствует интерпретатору bash, из которого была вызвана команда. В свою очередь, родительский идентификатор интерпретатора, 21725, принадлежит программе xterm — эмулятору терминала, в котором выполняется интерпретатор.

3.1.3. Уничтожение процесса

Для уничтожения процесса предназначена команда kill. Ей достаточно указать идентификатор требуемого процесса.

Команда kill посылает процессу сигнал SIGTERM, являющийся запросом на завершение.[10] По умолчанию, если в программе отсутствует обработчик данного сигнала, процесс просто завершает свою работу. О сигналах речь пойдет в разделе 3.3, "Сигналы".

3.2. Создание процессов

Существуют два способа создания процессов. Первый из них относительно прост, но применяется редко, поскольку неэффективен и связан со значительным риском для безопасности системы. Второй способ сложнее, но избавлен от недостатков первого.

3.2.1. Функция system()

Функция system() определена в стандартной библиотеке языка С и позволяет вызывать из программы системную команду, как если бы она была набрана в командной строке. По сути, эта функция запускает стандартный интерпретатор Bourne shell (/bin/sh) и передает ему команду на выполнение. Например, программа, представленная в листинге 3.2, вызывает команду ls -l /, отображающую содержимое корневого каталога.

#include <stdlib.h>

int main() {

 int return_value;

 return_value = system("ls -l /");

 return return_value;

}

Функция system() возвращает код завершения указанной команды. Если интерпретатор не может быть запущен, возвращается значение 127, а в случае возникновения других ошибок — -1.

Поскольку функция system() запускает интерпретатор команд, она подвержена всем тем ограничениям безопасности, что и системный интерпретатор. Рассчитывать на наличие какой-то конкретной версии Bourne shell не приходится. В большинстве UNIX-систем программа /bin/sh представляет собой символическую ссылку на другой интерпретатор. В Linux — это bash (Bourne-Again SHell), причем в разных дистрибутивах присутствуют разные его версии. Вызов из функции system() программы с привилегиями пользователя root также может иметь неодинаковые последствия в разных системах. Таким образом, лучше создавать процессы с помощью функций fork() и exec().

3.2.2. Функции fork() и exec()

В DOS и Windows API имеется семейство функций spawn(). Они принимают в качестве аргумента имя программы, создают новый экземпляр ее процесса и запускают его. В Linux нет функции, которая делала бы все это за один заход. Вместо этого имеется функция fork(), создающая дочерний процесс, который является точной копией родительского процесса, и семейство функций exec(), заставляющих требуемый процесс перестать быть экземпляром одной программы и превратиться в экземпляр другой программы. Чтобы создать новый процесс, нужно сначала с помощью функции fork() создать копню текущего процесса, а затем с помощью функции exec() преобразовать одну из копий в экземпляр запускаемой программы.

Вызывая функцию fork(), программа создает свой дубликат, называемый дочерним процессом. Родительский процесс продолжает выполнять программу с той точки, где была вызвана функция fork(). То же самое делает и дочерний процесс.

Как же различить между собой оба процесса? Во-первых, дочерний процесс — это новый, только что появившийся в системе процесс, поэтому его идентификатор отличается от идентификатора родительского процесса. Таким образом, программа может вызвать функцию getpid() и узнать, где именно она находится. Но сама функция fork() реализует другой способ: она возвращает разные значения в родительском и дочернем процессах. Родительский процесс получает идентификатор своего потомка, а дочернему процессу возвращается 0. В системе нет процессов с нулевым идентификатором, так что программа легко разбирается в ситуации.